《计算机系统结构课内实验》实验报告一、实验目的及要求1.加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解；2.了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；3.掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；4.理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；5.理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；二、实验环境Vmware 虚拟机，redhat 9.0 linux 操作系统，SimpleScalar模拟器三、实验内容1.运行SimpleScalar模拟器；2.在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；3.改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cach e性能的影响；4.改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；5.改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；6.分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。
分析不同的替换算法对Cache性能的影响。
四、实验步骤1、关于simplescalar的简要说明SimpleScalar包括多个仿真器：sim-fast ,sim－safe,sim-cache,sim-cheetah,sim-pro和sim-outorder。
本次实验使用的是sim-cache，下面说明一下sim-cache。
sim-cache:在这个仿真中加入了cache，用户可以对cache及TLB 进行设置，支持两级的cache和一级的TLB，第一级cache和TLB 均分为数据和指令两部分。
（摘自百度百科）下面简要说明一下有关cache的信息：一般来说，Cache的结构参数主要包括以下几个方面：容量、块大小、相联度、替换算法等。
在SimpleScalar模拟器中，采用了两级Cache结构，同时数据和指令Cache分开。
SimpleScalar的Cache参数配置命令为：<name>:<nsets>:<bsize>:<assoc>:<repl> <name> ：Cache的名称，其中:dl1：一级数据Cache；dl2：二级数据Cache；il1：一级指令Cache；il2：二级指令Cache；dtlb：数据TLB；itlb：指令TLB；<nsets> ：组的数目；<bsize>：块大小；<assoc> ：相联度；<repl> ：替换策略。
此时，Cache容量为：<nsets>*<bsize>*<assoc>。
替换策略主要有以下几种：l ：LRU，最近最少使用；f ： FIFO，先进先出；r ： RANDOM，随机策略。
例如：-cache:dl1 dl1:2048:64:4:r，表示对一级数据cache进行配置，2048表示有2048组，64表示cache块大小为64byte，4表示相联度为4，r表示替换策略为RANDOM。
在此配置下，一级数据cache的容量为2048*64*4=512KB。
由于Simplescalar Spec2000测试程序在其官方网站不能下载，故使用simplescalar模拟器自带的测试程序以及自己设计的一个程序进行测试。
我们所有的实验内容都是对一级数据cache来进行分析的。
在simplescalar中，我们使用的模拟器是sim-cache。
2、 simplescalar模拟器基本配置情况下的运行模拟1.用安装好的simplescalar中的编译器对test.c进行编译，编译后生成了能够在模拟器中可以运行的可执行文件。
命令行运行界面如下图所示：2.我们使用simplescalar中的模拟器sim-cache对a.out模拟执行，执行后的界面如下图所示：3.对运行结果进行分析从上面的运行结果中我们提取出一级数据cache（dl1）的信息进行分析：dl1.accesses 4420 # total number of accesses 一级数据cache上的总访问次数dl1.hits 3963 # total number of hits 一级数据cache上的命中次数dl1.misses 457 # total number of misses 一级数据cache上的失效次数dl1.replacements 201 # total number of replacements一级数据cache 上发生替换的次数dl1.writebacks 190 # total number of writebacks一级数据cache上发生写回的次数dl1.invalidations 0 # total number of invalidations一级数据cache上无效访问的次数dl1.miss_rate 0.1034 # miss rate (i.e., misses/ref) 一级数据cache上的失效率dl1.repl_rate 0.0455 # replacement rate (i.e., repls/ref) 一级数据cache上发生替换的概率dl1.wb_rate 0.0430 # writeback rate (i.e., wrbks/ref) 一级数据cache 上发生写回的概率dl1.inv_rate 0.0000 # invalidation rate (i.e., invs/ref) 一级数据cache上发生无效访问的概率从分析中，我们可以得出，一级数据cache总共的失效次数（dl1.misses）为457次，我们知道容量失效和冲突失效都发生了替换，所以它们的失效次数（dl1.replacements）总共为201次，强制性失效次数为457-201=256次。
一级数据cache的总失效率为0.1034。
3、 Cache容量对Cache性能的影响1.操作说明：改变simplescalar模拟器中的一级数据cache（dl1）的容量配置，我们通过改变组数来改变它的容量。
与此同时固定块大小为32byte、相联度为2以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（截取了部分所需的界面）如下图所示：容量为2KB（32*32*2*1）时，容量为4KB（64*32*2*1）时，容量为8KB（128*32*2*1）时，容量为64KB（1024*32*2*1）时，4、Cache相联度对Cache性能的影响1.操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的相联度大小。
与此同时固定cache的容量16KB、块大小32byte以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：相联度为1路时，相联度为2路时，相联度为4路时，相联度为8路时，相联度为64路时，5、Cache块大小对Cache性能的影响1.操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的块大小。
与此同时固定Cache的容量为32KB、相联度为2以及替换策略为LRU等参数。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：块大小为8byte时，块大小为16byte时，当块大小为32byte时，当块大小为64byte时，6、Cache的替换策略对Cache性能的影响1.操作说明改变simplescalar模拟器中的一级数据cache的替换策略。
与此同时固定Cache的块大小为32byte、相联度为2。
在Cache容量为2KB、4KB、8KB和64KB的情况下，分别进行测试。
2.运行的界面（只截取了部分所需的界面）如下图所示：容量为2KB时，使用了LRU替换策略使用了RANDOM策略容量为4KB时，使用了LRU替换策略使用了RANDOM策略容量为8KB时，使用了LRU策略使用了RANDOM策略容量为64KB时，使用了LRU替换策略使用了RANDOM策略五、实验结果1、cache容量对失效率的影响从面的运行结果中，我们提取所需要的一级数据cache的信息，如下表所示：从上表，我们可以分析出，随着cache容量的不断增加，程序的失效率不断降低。
容量失效和冲突失效的次数随着cache容量的增加不断地减少，而强制性失效次数则不断地增加。
2、相联度对失效率的影响从上面的运行结果中，我们提取所需要的一级数据cache的信息，如下表所示：从上表，我们可以分析得出，随着相联度的增加，程序的失效率逐渐降低，但降低的幅度比较小。
容量失效和冲突失效的次数随着相联度的增加不断地减少，而强制性的失效次数则不断地增加。
3、块大小对失效率的影响从上表，我们可以分析得出，随着块大小的增加，程序的失效率逐渐地降低。
容量失效和冲突失效的次数随着块大小的增加，基本维持在一个稳定的值，而强制性的失效次数则不断地降低，且幅度比较大。
4、替换策略对失效率影响从上表我们可以分析得出，最近最少使用策略（LRU）相对较好，但它与随机策略在一定的cache容量范围内相差不大。
容量失效和冲突失效次数，使用LRU替换策略的情况下，比较少；而强制性失效次数，使用RANDOM替换策略的情况下，比较少。
六、总结本实验基于cache的失效率的基本策略，在多种方法中选择探究改变各项指标对性能的影响，在实验中我们发现很多指标的改变并不能如预期中一样改变性能，失效率的降低伴随着硬件开销的增加，时间开销的增加，但并不是一味增加硬件，增加时间就能取得良好的收效，相反，在不同的程序执行过程中呈现出对不同方法的特别的适应性。
通过本次实验，我对cache的失效率的降低方法有了新的认识，同时体会到实验分析对于性能提高的主要性。