实验6Cache性能分析
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。
CACHE与主存之间的全相联映射,直接映射和组相联映射的区别
CACHE与主存之间的全相联映射，直接映射和组相联映射的区别高速缓冲存储器的功能、结构与工作原理高速缓冲存储器是存在于主存与CP U之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。
Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。
目的是提高C P U对存储器的访问速度。
为此需要解决2个技术问题：一是主存地址与缓存地址的映象及转换；二是按一定原则对Cac he的内容进行替换。
Cache的结构和工作原理如图2.3.1所示。
主要由三大部分组成：Cache存储体：存放由主存调入的指令与数据块。
地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。
替换部件：在缓存已满时按一定策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。
2.3.2 地址映象与转换地址映象是指某一数据在内存中的地址与在缓冲中的地址，两者之间的对应关系。
下面介绍三种地址映象的方式。
1.全相联方式地址映象规则：主存的任意一块可以映象到Cach e中的任意一块(1) 主存与缓存分成相同大小的数据块。
(2) 主存的某一数据块可以装入缓存的任意一块空间中。
全相联方式的对应关系如图2.3.2所示。
如果Cach e的块数为C b，主存的块数为M b，则映象关系共有Cb×Mb种。
图2.3.3示出了目录表的格式及地址变换规则。
目录表存放在相关（联）存储器中，其中包括三部分：数据块在主存的块地址、存入缓存后的块地址、及有效位（也称装入位）。
由于是全相联方式，因此，目录表的容量应当与缓存的块数相同。
举例：某机主存容量为1M，Cache的容量为32KB，每块的大小为16个字（或字节）。
划出主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。
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。
Cache性能分析
第22卷第1期新乡教育学院学报2009年3月 V ol.22,N o.1JOURNA L OF XINXIANG E DUCATION COLLEGE M AR,2009 Cache性能分析Ξ程军锋(陇南师范高等专科学校,甘肃陇南742500)摘 要:随着计算机CPU的速度越来越快,计算机主存和CPU之间速度差异问题也日益突出,已经严重影响了计算机系统性能的提高。
现已有多种技术改进主存的存取速度来提高计算机系统性能,其中通过Cache提高存储系统速度是广泛采用的一种技术。
笔者主要介绍Cache的基本工作原理,同时也分析了引入Cache后计算机系统的性能,并介绍了一些改进Cache性能的方法。
关键词:高速缓冲存储器;命中率;加速比;失效;映射中图分类号:TP3 文献标识码:A 文章编号:1672Ο3325(2009)01Ο0111Ο03作者简介:程军锋(1980Ο),男,甘肃礼县人,助教。
研究方向:计算机基础理论教学。
计算机发展到现在,CPU主频的提升使得计算机系统性能有了极大地提高,但计算机系统性能提高不仅取决于CPU的性能,还与系统结构、指令系统、数据在各部件间的传送速度及存储部件的存取速度等因素有密切关系,特别是与CPU和主存之间的存取速度有着很大的关系。
如果CPU工作速度较快,而主存访问速度相对较慢,这样就会造成CPU 等待,浪费CPU的性能,降低处理器速度,进而影响计算机整体性能。
长期以来,计算机工作者一直研究解决主存与CPU的速度差异问题的方法,已有多种技术用来提高主存的访问速度,其中通过Cache(高速缓冲存储器)来提高存储系统速度就是一种有效的技术。
Cache是容量较小但速度快的半导体随机存储器,位于CPU和大容量主存之间,但存取速度比主存快得多。
它的作用是为CPU提供一个速度与之相当,而容量与主存相同的存储系统,以解决CPU和主存间速度不匹配的一项技术。
这种技术可在计算机系统成本增加很小的前提下,使计算机性能得到明显的提升。
西安邮电大学-Cache性能分析实验报告
西安邮电大学（计算机学院）课实验报告实验名称： cache性能分析专业名称：软件工程班级：学生：学号（8位）：指导教师：锐实验日期： 2015年5月20日1 实验目的(1)加深对Cache的基本概念、基本组织结构以与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不命中率的各种方法。
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，如以下图所示：(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完毕。
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、块号以与块地址。
(5) 模拟结果包括：●访问总次数，总的不命中次数，总的不命中率。
●读指令操作的次数，其不命中次数与其不命中率。
●读数据操作的次数，其不命中次数与其不命中率。
●写数据操作的次数，其不命中次数与其不命中率。
●手动输入单次访问的相关信息。
3 实验容和步骤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。
西安交大计算机系统结构实验报告.
《计算机系统结构课内实验》实验报告第一次实验：记分牌算法和Tomasulo算法第二次实验：cache性能分析班级：物联网21姓名：李伟东学号：2120509011日期：2015.5.21第一次实验：记分牌算法和Tomasulo算法一、实验目的及要求1. 掌握DLXview模拟器的使用方法；2. 进一步理解指令动态调度的基本思想，了解指令动态调度的基本过程与方法；3. 理解记分牌算法和Tomasulo算法的基本思想，了解它们的基本结构、运行过程；4. 比较分析基本流水线与记分牌算法和Tomasulo算法的性能及优缺点。
二、实验环境DLXview模拟器三、实验内容1.用DLX汇编语言编写代码文件*.s（程序中应包括指令的数据相关、控制相关以及结构相关），以及相关的初始化寄存器文件*.i和数据文件*.d；2.观察程序中出现的数据相关、控制相关、结构相关，并指出三种相关的指令组合；四、实验步骤将自己编写的程序*.s、*.i、*.d装载到DLXview模拟器上，（1）分别用基本流水线、记分牌算法和Tomasulo算法模拟，针对每一种模拟做如下分析：①统计程序的执行周期数和流水线中的暂停时钟周期数；②改变功能部件数目重新模拟，观察并记录性能的改变；③改变功能部件延迟重新模拟，观察并记录性能的改变；论述功能部件数目、功能部件延迟对性能的影响。
（2）记录运行记分牌算法时的功能部件状态表和指令状态表；（3）记录运行Tomasulo算法时的指令状态表和保留站信息；五、实验结果1）基本流水线原始即加法延迟2，乘法延迟5，实验结果显示该段程序运行了11个时钟周期增加了一个除法器。
加法器延迟2，乘法器延迟5，除法器延迟19。
实验结果显示该段程序运行了11个时钟周期。
增加除法器对程序的执行无影响。
加法器延迟2，乘法器延迟6，无除法器。
实验结果显示该段程序运行了12个时钟周期乘法器的延迟对程序执行有有影响。
加法器延迟1，乘法器延迟5。
第十讲(cache存储器)要点课件
当缓存满了，需要替换数据块时，LFU算法会选择最不经常使用的数据块进行替换。这种算法能够提 高缓存命中率，但实现起来较为复杂，需要记录每个数据块的访问频率。
04
Cache存储器的性能分析
Cache存储器的命中率
01
02
03
命中率
衡量Cache存储器效率的 重要指标，指程序访问 Cache成功命中的次数与 总访问次数的比值。
影响因素
Cache容量、块大小、程 序特性、替换策略等。
优化策略
根据程序特性调整Cache 容量和块大小，采用合适 的替换策略，以提高命中 率。
Cache存储器的效率
效率
指Cache存储器完成一次 访问所需的时间与直接访 问存储器所需时间的比值 。
影响因素
Cache访问速度、块大小 、Cache层次结构等。
第十讲(cache存储器)要点 课件
contents
目录
• Cache存储器概述 • Cache存储器与主存的映射方式 • Cache存储器的替换算法 • Cache存储器的性能分析 • Cache存储器的优化策略
01
Cache存储器概述
Cache存储器的定义
01
Cache存储器是一种高速缓冲存 储器，用于暂时存储CPU经常访 问的指令和数据，以便快速访问 和提高系统性能。
组相联映射
总结词
一种折中的映射方式，将主存中的块分组，每组内的 块映射到Cache的固定块位置。
详细描述
组相联映射方式中，将主存中的块分成若干组，每组 内的块具有固定的对应关系。Cache被划分为与主存 组数相同的组，每个组中的块可以存储主存中对应组 内的任意一块数据。当访问主存时，首先确定访问的 块属于哪个组，然后在Cache中查找该组对应的块， 如果有则将数据读入Cache块中，否则需要将数据从 主存中读取并替换掉Cache中的某块数据。这种方式 的优点是查找时间较短且具有一定的灵活性，缺点是 仍然存在Cache浪费的问题。
cache实验报告
cache实验报告Cache实验报告一、引言计算机系统中的缓存（Cache）是一种用于提高数据访问速度的技术。
通过在CPU与主存之间插入一个高速缓存存储器，可以减少CPU等待主存数据的时间，从而提高系统的整体性能。
本实验旨在通过实际操作，深入了解并掌握Cache的工作原理。
二、实验目的1. 了解Cache的基本概念和工作原理；2. 学习Cache的组织结构和映射方式；3. 掌握Cache的读写操作流程；4. 分析Cache的命中率和访问延迟。
三、实验环境本实验使用Intel Core i7处理器和8GB内存的计算机。
四、实验步骤1. 确定实验所需的Cache参数，包括Cache大小、Cache块大小和关联度等；2. 设计并编写测试程序，用于模拟不同的内存访问模式；3. 运行测试程序，并记录Cache的读写命中次数和访问延迟；4. 分析实验结果，计算Cache的命中率和平均访问延迟。
五、实验结果与分析1. Cache命中率根据实验数据统计，我们可以计算出Cache的命中率。
命中率是指在所有内存访问中，Cache能够直接从Cache中读取数据的比例。
通过调整Cache的大小和关联度等参数，可以观察到命中率的变化。
实验结果表明，增加Cache的大小和提高关联度可以显著提高命中率。
2. 访问延迟访问延迟是指从CPU发出内存读写请求到实际完成读写操作所需的时间。
通过实验测量，我们可以得到不同访问模式下的平均访问延迟。
实验结果显示，随着Cache大小的增加，访问延迟逐渐减少。
这是因为Cache能够更快地响应CPU的读写请求，减少了CPU等待主存数据的时间。
3. 性能优化通过实验结果的分析，我们可以发现一些性能优化的方法。
首先，合理设置Cache的大小和关联度，可以提高命中率和降低访问延迟。
其次，采用合适的替换算法（如LRU）可以减少缓存失效的次数，提高Cache的效率。
此外，程序的空间局部性和时间局部性对Cache的性能也有重要影响，优化算法和数据结构可以提高程序的局部性，从而提高Cache的命中率。
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实验6 Cache 性能分析
6.1 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 的容量、相联度、块大小对Cache 性能的影响；
3. 掌握降低Cache 不命中率的各种方法，以及这些方法对Cache 性能提高的好处；
4. 理解LRU 与随机法的基本思想以及它们对Cache 性能的影响；
6.2 实验平台
实验平台采用Cache 模拟器My Cache 。
6.3 实验内容及步骤
首先要掌握My Cache 模拟器的使用方法。
6.3.1 Cache 的容量对不命中率的影响 1. 启动MyCache 模拟器。
2. 用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
3. 选择一个地址流文件。
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 、4KB 、8KB 、16KB 、32KB 、64KB 、128KB 和256KB 。
分
别执行模拟器（单击“执行到底”按钮即可执行），然后在表5.1中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名： E:\cjh\系统结构模拟器\MyCache 模拟器\地址流\all.din 5. 以容量为横坐标，画出不命中率随Cache 容量变化而变化的曲线，并指明地址流文件名。
不命中率随Cache容量变化图
0.00%
2.00%4.00%6.00%8.00%10.00%12.00%2
4
8
16
32
64
128
Cache容量（KB）
不命中率
6据结果，你能得出什么结论？
6.3.2 相联度对不命中率的影响
1. 用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
此时的Cache 的容量为64KB 。
2. 选择一个地址流文件。
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 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”按钮即可执行），然后在表5.2中记录各种情况下的不命中
率。
地址流文件名： E:\cjh\系统结构模拟器\MyCache 模拟器\地址流\cc1.din 4. 把Cache 的容量设置为256KB ，重复3的工作，并填写表5.3。
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，并指明地址流文件名。
Cache 容量为64K 时
:
不同相联度下Cache的不命中率
0.00%
0.50%1.00%1.50%2.00%2.50%1
2
48
16
相联度
不命中率
Cache 容量为256K 时:
不同相联度下Cache的不命中率
0.00%
0.20%0.40%0.60%0.80%1.00%1.20%1
2
48
16
相联度
不命中率
6. 根据该模拟结果，你能得出什么结论？
7.
当cache 容量一定时，不命中率先是随着相联度地增加而减小的的，但增加到一定程度后，不命中率不会再降低。
当相联度相同，相联度较小时，cache容量越大不命中率就越低，但当相联度到达一定
程度时，再增大cache容量就没有任何意义
6.3.3 Cache块大小对不命中率的影响
1.用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
2.选择一个地址流文件。
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、8KB、32KB、128KB和256KB。
分别执行模拟器（单击“执行到底”按钮
即可执行），然后在表5.4中记录各种情况下的不命中率。
地址流文件名： E:\cjh\系统结构模拟器\MyCache模拟器\地址流\eg.din 4.分析Cache块大小对不命中率的影响。
6.3.4 替换算法对不命中率的影响
1.用鼠标单击“复位”按钮，把各参数设置为默认值。
2.选择地址流文件all.din。
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.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”按钮即
可执行），然后在表5.5中记录各种情况下的不命中率。
4.分析不同的替换算法对不命中率的影响。
1)LRU和随机算法的不命中率随着相联度的增加而减少且随着cache容量的增加而减少；
2)在相联度相同，cache容量相同时，使用LRU替换算法的不命中率比随机算法的不命中
率小；
3)当cache容量增大到一定程度，相联度达到一定程度时，不命中率不会再降低，且与算
法的选择关系不大。