实验1 Cache性能分析
内存实验报告
一、实验目的1. 了解内存的基本概念和组成结构。
2. 掌握内存的读写操作过程。
3. 熟悉内存寻址方式及其应用。
4. 分析内存性能对系统运行的影响。
二、实验原理1. 内存基本概念：内存是计算机中用于存储数据和指令的设备，它是计算机系统中的核心组成部分。
内存按照存储单元的存储容量和速度分为多种类型，如RAM、ROM、ROM、Cache等。
2. 内存组成结构：内存主要由存储单元、地址译码器、数据总线、控制电路等组成。
存储单元是内存的基本存储单元，每个存储单元都有一个唯一的地址，通过地址译码器将地址转换为存储单元的物理位置。
数据总线用于传输数据，控制电路负责协调读写操作。
3. 内存读写操作过程：内存的读写操作主要包括以下步骤：（1）将需要访问的存储单元地址送入地址寄存器；（2）根据地址寄存器中的地址，通过地址译码器找到对应的存储单元；（3）控制电路根据读写信号，将数据从存储单元读入数据寄存器或从数据寄存器写入存储单元。
4. 内存寻址方式：内存寻址方式主要有以下几种：（1）直接寻址：直接将操作数地址送入指令地址寄存器；（2）间接寻址：将操作数地址存储在内存单元中，通过指令访问该内存单元获取操作数地址；（3）基址寻址：以基址寄存器中的值作为操作数地址的基准；（4）变址寻址：以变址寄存器中的值加上指令中的偏移量作为操作数地址。
三、实验内容1. 内存读写操作实验：通过编程实现内存的读写操作，包括读取内存单元数据、写入内存单元数据等。
2. 内存寻址方式实验：分别使用直接寻址、间接寻址、基址寻址、变址寻址等寻址方式实现数据访问。
3. 内存性能分析实验：分析不同内存类型、容量、速度对系统运行的影响。
四、实验步骤1. 内存读写操作实验：（1）编写程序，实现将数据从内存单元读取到寄存器；（2）编写程序，实现将数据从寄存器写入内存单元。
2. 内存寻址方式实验：（1）使用直接寻址方式，实现数据访问；（2）使用间接寻址方式，实现数据访问；（3）使用基址寻址方式，实现数据访问；（4）使用变址寻址方式，实现数据访问。
cache的基本原理(一)
cache的基本原理(一)Cache的基本原理什么是CacheCache（缓存）是计算机系统中一种提高数据访问效率的技术。
它通过将经常访问的数据存储在速度更快的存储介质中，以便快速获取，从而加快系统的响应速度。
Cache的作用1.提高数据访问速度：Cache能够将数据存储在速度更快的存储介质中，以便快速获取。
相比于从较慢的主存（RAM）中读取数据，从Cache中读取数据的速度更快，从而提高了系统的响应速度。
2.减轻系统负载：Cache能够减轻对主存的访问压力，从而减轻了整个系统的负载。
当数据被缓存到Cache中时，对该数据的访问将不再需要访问主存，从而减少了主存的读写操作，提高了整个系统的效率。
Cache的基本原理Cache的基本原理可以概括为以下几个步骤：1.检查数据是否在Cache中：当系统需要访问某个数据时，首先会检查该数据是否已经存储在Cache中。
如果在Cache中找到了需求的数据，则无需从主存中读取，直接从Cache中获取数据。
2.数据未在Cache中：如果需要的数据不在Cache中，则需要从主存中读取。
同时，系统会将该数据从主存读取到Cache中，以便下次快速访问。
通常会采用一定的缓存算法（如LRU）来选择适合替换的数据，确保Cache的空间被合理利用。
3.数据写回主存：当Cache中的数据被修改后，系统会在合适的时机将修改后的数据写回主存。
这样可以保证数据的一致性，并且避免数据的丢失。
Cache的命中率Cache的命中率是评估Cache性能的重要指标。
它表示在访问数据时，该数据已经在Cache中的概率。
命中率越高，越能够提高系统的响应速度。
Cache的命中率可以通过以下公式计算：命中率 = 命中次数 / 总访问次数提高Cache命中率的方法为了提高Cache的命中率，可以采取以下方法：•提高Cache容量：增加Cache的容量可以存储更多的数据，从而减少Cache缺失的概率，提高命中率。
3-9 CPU的性能与功耗(3)
第三章CPU 第三章CPU高速缓存性能分析高速缓存性能分析Caches的引入使得执行时间非确定了•依赖于执行的顺序Cache未命中损失: 由于cache未命中而需要花费的额外时间未命中的原因：强制性未命中,容量未命中,冲突未命中CPU 功耗CPU功耗在某些情况下，CPU 的功耗与其运行时间同等重要功率和能量:•功耗是能量消耗和功率消耗的简称•热量的产生取决于功率•电池的寿命取决于能量的消耗CMOS 的功耗CMOS的功耗CMOS几乎所有的数字系统都有的影响CMOS 功耗的因素电压降(Voltage drops): 功耗与V2成正比切换(Toggling): 切换越多, 功耗越多泄漏(Leakage): 消除漏电的唯一方法切断电源影响CMOS功耗的因素CPU 节能的方法CPU 在低电压下使用在低时钟频率下使用内部禁止当前执行功能不需要的功能单元允许部分CPU 部件完全与电源断开，以消除泄漏电流CPU 节能的方法电源管理的特征•由用户调用，不依赖与CPU 的活动静态电源管理特征•基于CPU活动来对功耗进行控制动态电源管理特征电源管理的特征应用：PowerPC 603 节能模式静态电源管理功能,提供三种低功耗模式小睡（doze）模式打盹（nap）模式休眠（sleep）模式动态电源管理技术关闭不用的执行单元Cache的组织，最小化活动电路的数目应用：PowerPC 603 节能模式节电模式的进入和退出进入或退出节电模式的消耗•时间•能量确定进入是否值得用能量状态机建立CPU能量模型节电模式的进入和退出应用: StrongARM SA-1100 节能模式应用: StrongARM SA-1100 节能模式处理机有2个电源VDD 主电源：3.3VVDDX 电源：1.5V三种电源模式运行（Run）: 正常操作模式空闲（Idle）: 通过停止CPU时钟节省功耗，但系统单元模块任然供电睡眠（Sleep）: 关闭大部分芯片的活动SA-1100 能量状态机runidle sleepP run =400mWP idle =50mWP sleep =0.16mW 10μs 10μs90μs 160ms90μs SA-1100 能量状态机总结 1.Cache性能分析 2.CPU 功耗 3.CPU 的电源管理总结。
多核cache亲和性
多核cache亲和性综述概述利用亲和性这种特性可以降低进程转移带来的性能损失，提高cache命中率，同时利用该特性可以充分利用片上所有的cache来加速串行程序的执行。
但要利用该特性需要操作系统调度程序的支持，同时要求有一定的硬件的支持。
经过研究，cache亲和性对单核多处理器的性能提升不大，但对于多核多处理器能带来很大的性能提升。
该文主要介绍了亲和性的定义，亲和性对性能的影响，最后怎样利用操作系统及硬件支持来充分利用该特性。
引言芯片多处理器（CMP）的已成为当今高性能的多处理器主要形式之一。
对影响性能的关键因素之一便是高速缓存的利用率。
传统的对于高速缓存，每个核心是有自己的私有L1高速缓存，并在同一芯片上所有核心共享的较大二级缓存。
为了提高缓存利用率，我们需要考虑在缓存中的数据重用，在所有核心上共享缓存缓存访问的争夺，和私有缓存间的连贯性缺失率。
亲和性定义：亲和性指进程在给定的cpu或cpu核上运行尽量长的时间而不被转移到别的处理器的倾向性。
在Linux里，内核进程调度器天生就具有软亲和性（soft affinity）的特性，这意味着进程通常不会在处理器或者内核之间频繁迁移。
这种情况是我们希望的，因为进程迁移的频率低意味着产生的负载小，具有更好的性能表现。
在对称多处理(SMP)上，操作系统的进程调度程序必须决定每个CPU上要运行哪些进程。
这带来两项挑战：调度程序必须充分利用所有处理器，避免当一个进程已就绪等待运行，却有一个CPU核心闲置一旁，这显然会降低效率。
然而一个进程一旦被安排在某个CPU核心上运行，进程调度程序也会将它安排在相同的CPU核心上运行。
这会使性能更好，因为将一个进程从一个处理器迁移到另一个处理器是要付出性能代价的。
一般进程会在相同的核或CPU上运行，只会在负载极不均衡的情况下从一个核移往另一个核。
这样可以最小化缓存区迁移效应，同时保证系统中处理器负载均衡。
亲和性程序性能的影响多核处理器的处理器与处理器之间的cache亲和力是通过观察缓存方面积累了一定的进程的状态，即数据或指令后才进行考察的。
Cache性能分析
Cache 性能分析一、性能分析1.不同容量下Cache 命中率：设置：选择不同的cache 容量，2k ，4k ，8k ，16k ，32k ，64k ，128k ，256k块大小：16k 相联度：直接相连 替换策略：LRU 预取策略：不预取 写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配 文件：cc1.din表1 不同容量下Cache 命中率图1结论：在其他条件一定的情况下，随着cache 容量的增加，不命中率逐渐减小2.相联度对不命中率的影响：设置：Cache 容量：64K/256KB 块大小;16B 相联度设置：1，2，4， 8，16，32 替换策LRU 预取策略：不预取 写策略：写回 写不命中的调快策略：按写分配 文件：cc1.dinCache 容量为64KB 时：表2 当容量为64K 时的不命中率相联度 1 2 4 8 16 32不命中率（%）2.71 1.80 1.61 1.55 1.54 1.54Cache 容量为256KB 时：表3 当容量为256K 时的不命中率相联度 1 2 4 8 16 32不命中率（%）1.58 1.34 1.28 1.26 1.24 1.24 结论：Cache 的容量（KB ） 2 4 8 16 32 64 128 256不命中率（%）18.61 14.09 10.12 6.34 3.81 2.71 1.95 1.58图2结论：（1）当Cache容量一定时，随着相联度的不断增加，不命中率逐渐减小，但是当相联度增加到一定程度时，不命中率保持不变。
（2）当关联度相同时，Cache容量越大，不命中率越小，当关联度增加到一定程度时，不命中率和Cache容量大小无关。
3.Cache块大小对命中率的影响：设置：Cahce块大小(B)：16,32,64,128,256 Cache容量设置(KB)：2,8,32,128,512相联度：直接相联预取策略：不预取写策略：写回写不命中的调快策略：按写分配文件：eg.din表4 不同Cache行大小情况下Cache的不命中率块大小（B）Cache的容量（KB）2 8 32 128 51216 7.80% 7.40% 7.20% 7.20% 7.20%32 5.40% 5.00% 4.70% 4.70% 4.70%64 4.00% 3.40% 3.10% 3.10% 3.10%128 4.40% 3.30% 2.40% 2.40% 2.40%256 6.50% 5.10% 2.30% 1.90% 1.90%图3结论：（1）在Cache容量一定时，Cache 不命中率随着Cache行的增加先减小后增加。
cache的基本结构
cache的基本结构摘要：一、引言二、Cache的基本概念1.缓存的作用2.Cache的分类三、Cache基本结构1.组成要素2.工作原理四、Cache的优化策略1.缓存过期策略2.缓存替换策略3.缓存更新策略五、案例分析1.常见Cache应用场景2.Cache在实际项目中的应用六、结论正文：一、引言随着互联网技术的不断发展，网站性能优化成为越来越重要的课题。
在此背景下，缓存技术（Cache）应运而生，成为提高系统性能的有效手段。
本文将从Cache的基本概念、基本结构、优化策略等方面进行详细阐述，以期帮助读者更好地理解和应用Cache技术。
二、Cache的基本概念1.缓存的作用缓存的主要作用是减轻服务器负担，提高数据访问速度。
通过在客户端或服务器端存储热点数据，可以在访问数据时避免重复计算或查询，从而提高系统性能。
2.Cache的分类根据缓存的位置和作用，可以分为以下几类：- 客户端缓存：位于客户端（如浏览器）的缓存，用于存储访问过的网页、图片等资源。
- 服务器端缓存：位于服务器上的缓存，用于存储热点数据，如数据库查询结果、动态生成的内容等。
- 分布式缓存：通过多个服务器协同工作，实现大容量、高性能的缓存系统。
三、Cache基本结构1.组成要素一个典型的Cache结构包括以下几个要素：- 缓存空间：用于存储数据的空间，通常有限。
- 缓存策略：决定如何存储、更新和替换数据的规则。
- 缓存命中率：访问的数据在缓存中命中的比例，用以评估缓存效果。
2.工作原理Cache的工作原理简单来说就是“存、取、更新”：- 存：当客户端请求数据时，服务器将数据存储到缓存中。
- 取：当客户端再次请求相同数据时，优先从缓存中取出数据。
- 更新：当数据发生变化时，更新缓存中的数据，以确保客户端获取到最新数据。
四、Cache的优化策略1.缓存过期策略缓存数据具有一定的过期时间，超过过期时间后，数据会被自动删除。
常见的过期策略有：- 固定过期时间：设置一个固定的时间，如10分钟、30分钟等。
直接相联cache设计实验原理
直接相联cache设计实验原理在计算机系统中，缓存是一种用于加速数据访问的关键组件。
它可以存储最近使用过的数据，以便在需要时能够快速获取。
在缓存设计中，直接相联cache是一种常见的设计方案。
本文将介绍直接相联cache的设计原理和实验方法。
一、直接相联cache的基本原理直接相联cache是一种基于地址映射的缓存设计方案。
它通过将主存中的数据映射到缓存的不同行中，以实现数据的快速访问。
在直接相联cache中，每个主存地址对应一个缓存行，缓存行由标签（tag）、有效位（valid bit）和数据组成。
1. 标签（tag）：用于标识主存地址对应的数据是否在缓存中。
当主存地址被访问时，缓存会比对标签值，以确定是否命中。
2. 有效位（valid bit）：用于标识缓存行中的数据是否有效。
当缓存行中的数据被修改或替换时，有效位会相应地进行更新。
3. 数据：存储在缓存行中的主存数据。
直接相联cache的设计原理是，通过将主存地址的一部分作为标签，并将其余部分作为行索引，将主存数据映射到相应的缓存行中。
例如，将主存地址的高位作为标签，低位作为行索引。
这样，当主存地址被访问时，缓存可以通过比对标签值来确定是否命中，并通过行索引找到相应的缓存行。
二、直接相联cache的实验设计为了验证直接相联cache的性能和效果，可以进行一系列实验。
下面将介绍一个基于直接相联cache的实验设计。
1. 实验目标：测试直接相联cache的命中率和访问延迟，评估其性能表现。
2. 实验材料：计算机系统、编程语言（如C++）。
3. 实验步骤：（1）确定缓存参数：包括缓存大小、行大小、标签位数等。
根据实验需求和计算机系统的特点，选择合适的参数。
（2）编写数据生成程序：生成一系列模拟的数据访问请求。
可以使用随机算法生成各种类型的数据访问模式，包括顺序访问、随机访问等。
（3）编写缓存模拟程序：根据直接相联cache的设计原理，实现一个缓存模拟程序。
11 存储系统 Cache 内存_v1.0
北京信息科技大学
计算机系统结构
(4)非阻塞Cache技术
1. 非阻塞Cache：Cache失效时仍允许CPU进行 其它的命中访问。即允许“失效下命中”。 2. 进一步提高性能：“多重失效下命中” “失效下失效” (存储器必须能够处理多个失效)
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计算机系统结构
(5)采用两级Cache
2. 容量失效(capacity miss)
程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，当某块被 替换后又重新被访问，就会发生的失效
3. 冲突失效(conflict miss)
在组相联或直接映象Cache结构中，如果有太多的块映 象到同一组（块）中，会出现某块被替换后又重新访 问的情况，就会发生的失效
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计算机系统结构
（7）编译器优化
无需硬件，通过对软件的优化降低失效率 我们可以容易地重新组织程序而不影响程序的正 确性 通过重新排列指令顺序，可以减少冲突失效、降 低指令失效率。有些指令根本不进入Cache时， 可以得到最佳性能 数据对存储位置的限制比指令对存储位置的限制 少，更便于调整顺序
存储器停顿时钟周期数＝访存次数×失效率×失效开销
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计算机系统结构
1. 降低失效率 2. 减少失效开销 3. 减少命中时间
CACHE优化策略
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计算机系统结构
改进Cache性能
平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销
Average memory access time = Hit time + Miss rate ×Miss penalty
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实验1 Cache性能分析
1 实验目的
(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)掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。
(3)掌握降低Cache
2 实验平台
采用MyCache模拟器。
MyCache模拟器的使用方法：
(1) 双击MyCache.exe，启动模拟器。
(2) 系统打开操作界面，如下图所示：
(3)
写不命中时的调块策略。
可以直接从列表中选择。
(4) 访问地址可以选择来自地址流文件，也可以选择手动输入。
如果是前者，则可以通过单击“浏览”按钮，从模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取地址流文件（.din）文件，然后执行。
执行得方式可以是单步，也可以选择一次执行结束。
如果选择手动输入，就可以在“执行控制”区域中输入块地址，然后单击“访问”按钮。
系统会在界面的右边显示访问类型、地址、块号以及块内地址。
3 实验内容和步骤
3.1 Cache容量对不命中率的影响
(1) 启动MyCache。
(2) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
(3) 选择一个地址流文件。
具体方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
(4) 选择不同的Cache容量，包括2KB，4 KB，8 KB，16 KB，32 KB，64 KB，128 KB和256 KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮就可执行），然后在表1.1中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名：all.din
表1.1 不同容量下Cache的不命中率
(5)指明地址流文件名，以容量为横坐标，画出不命中率虽Cache容量变化而变化的曲线
(6) 根据该模拟结果，能得出什么结论？
相同的地址流文件，Cache容量越大，Cache的不命中率越低，命中率越高，但当Cache 容量达到一定程度时，Cache的命中率将不变。
3.2 相联度对不命中率的影响
(1) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
此时的Cache容量为64KB。
(2) 选择一个地址流文件。
具体方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
(3) 选取不同的Cache相联度，包括直接映像、2路、4路、8路、16路和32路。
分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮），然后再表1.2中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名：all.din
(4) 把Cache的容量设置为256KB，重复（3）步骤填表1.3。
(5) 以相联度为横坐标，画出在64KB和256KB的情况下不命中率随Cache相联度变化而变化的曲线。
并指令地址流文件名。
(6) 根据模拟结果，你能得出什么结论？
相同的地址流文件，当Cache的容量一致时，相联度越大，Cache的不命中率越低，命中率越高，但当相联度达到一定的程度时，Cache命中率不再变化。
当相联度相同时，Cache 不命中率越低，命中率越高，但当Cache容量达到一定程度时，Cache的命中率不再变化。
3.3 Cache块大小对不命中率的影响
(1) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
(2) 选择一个地址流文件。
具体方法：选择“访问地址”→“地址流文件”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文件夹下的“地址流”文件夹中选取。
(3) 选择不同的Cache块大小，包括16B，32B，64B，128B和256B。
对于Cache的各种容量，包括2KB，8 KB，32 KB，128 KB和512 KB，分别执行模拟器（单击“执行到底”），然后在表1.4中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名：all.din
(4) 分析Cache块大小对不命中率的影响。
相同的地址流文件，当Cache容量不变时，块的大小越大则Cache命中率越高，但当块的大小超过一定程度时，Cache的命中率会变小。
3.4 替换算法对不命中率的影响
(1) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。
(2) 选择地址流文件all.din。
(3) 对于不同的替换算法、Cache容量和相联度，分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮），在表1.5中记录各种情况下的不命中率。
表7.5 LRU和随机算法的不命中率的比较
(4) 分析不同的替换算法对Cache不命中率的影响。
当Cache容量不变、相联度不变时，采用LRU算法的Cache命中率高于随机算法的Cache 命中率，但当Cache容量大到一定程度时，采用两种算法的Cache命中率一样。
4 实验总结与心得
本次实验，我通过使用Cache模拟器模拟了Cache的命中率的影响因素，通过控制变量的方法和多次的实验，我得出了课本上的结论。
让我对Cache命中率的分析有了更深入的理解和领悟。
本次实验对我学习相关的课程知识有着积极的作用。