2023年西安邮电大学Cache性能分析实验报告.docx

西 安 邮 电 大 学
（计算机学院）

课内实验报告

实验名称： cache性能分析

专业名称： 软件工程
班 级：
学生姓名：
学号（8位）：
指导教师： 杨锐
实验日期： 2023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) 掌握减少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，如下图所示：

MyCache-Cache模拟器
设立参数区
模拟结果显示区
执行控制区
(3) 可以设立的参数涉及Cache的容量、块大小、相联度、替换算法、预取策略、写策略、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献，也可以选择手动输入。假如是前者，则可以通过单击“浏览”按钮，从模拟器所在文献夹下的“地址流”文献夹中选取地址流文献（.din）文献，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。假如选择手动输入，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。
(5) 模拟结果涉及：
l 访问总次数，总的不命中次数，总的不命中率。
l 读指令操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
l 读数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
l 写数据操作的次数，其不命中次数及其不命中率。
l 手动输入单次访问的相关信息。

3 实验内容和环节

3.1 Cache容量对不命中率的影响
(1) 启动MyCache。
(2) 单击“复位”按钮，将各参数设立为默认值。
(3) 选择一个地址流文献。具体方法：选择“访问地址”→“地址流文献”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文献夹下的“地址流”文献夹中选取。
(4) 选择不同的Cache容量，涉及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。

地址流文献名： all.din
表1.1 不同容量下Cache的不命中率
Cache容量
2
4
8
16
32
64
128
256
不命中率
9.87%
7.19%
4.48%
2.65%
1.42%
0.89%
0.60%
0.49%

(5) 指明地址流文献名，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图。

(6) 根据该模拟结果，能得出什么结论？
未命中率受cache 容量的变化而变化，cache容量越大，未命中率越低
3.2 相联度对不命中率的影响
(1) 单击“复位”按钮，将各参数设立为默认值。此时的Cache容量为64KB。
(2) 选择一个地址流文献。具体方法：选择“访问地址”→“地址流文献”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文献夹下的“地址流”文献夹中选取。
(3) 选取不同的Cache相联度，涉及直接映像、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），然后在表1.2中记录各种情况下的不命中率。

表1.2 容量为64KB时，不同相联度的不命中率
相联度
直接映像
2
4
8
16
32
不命中率
0.89%
0.53%
0.47%
0.45%
0.44%
0.44%
地址流文献名： all.din

(4) 把Cache的容量设立为256KB，反复（3）环节填表1.3。

表1.3容量为256KB时，不同相联度的不命中率
相联度
直接映像
2
4
8
16
32
不命中率
0.49%
0.38%
0.36%
0.36%
0.35%
0.35%
(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。并指明地址流文献名。

(6) 根据模拟结果，你能得出什么结论？
未命中率基本不受相联度的影响，当直接映像时与相联度为2,4,8,16,32时略有偏差。
3.3 Cache块大小对不命中率的影响
(1) 单击“复位”按钮，将各参数设立为默认值。
(2) 选择一个地址流文献。具体方法：选择“访问地址”→“地址流文献”选项，然后单击“浏览”按钮，从本模拟器所在的文献夹下的“地址流”文献夹中选取。
(3) 选择不同的Cache块大小，涉及16B，32B，64B，128B和256B。对于Cache的各种容量，涉及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。
表1.4 各种块大小情况下Cache的不命中率
块大小（B）
Cache容量
2
8
32
128
512
16
12.02%
5.79%
1.86%
0.95%
0.71%
32
9.87%
4.48%
1.42%
0.60%
0.42%
64
9.36%
4.03%
1.20%
0.43%
0.27%
128
10.49%
4.60%
1.08%
0.35%
0.20%
256
13.45%
5.35%
1.19%
0.34%
0.16%
地址流文献名： all.din
(4) 分析Cache块大小对不命中率的影响。
cache容量会影响未命中率，cache块大小也会影响未命中率，且当cache的块大小保持不变时，未命中率随cache容量的增大而减小，当保持cache的容量不变时，未命中率随cache块大小的增大而减小。
3.4 替换算法对不命中率的影响
(1) 单击“复位”按钮，将各参数设立为默认值。
(2) 选择地址流文献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
Cache容量
相联度
2路
4路
8路
LRU
随机算法
LRU
随机算法
LRU
随机算法
16KB
1.71%
2.07%
1.33%
1.81%
1.21%
2.03%
64KB
0.53%
0.65%
0.47%
0.59%
0.45%
0.62%
256KB
0.38%
0.40%
0.36%
0.37%
0.36%
0.36%
1MB
0.35%
0.35%
0.35%
0.35%
0.35%
0.35%
(4) 分析不同的替换算法对Cache不命中率的影响。
算法不同对不命中率有影响，在相联度和cache容量保持不变时，LRU算法的不命中率较随机算法不命中率低。在cache容量不变时，相联度度增大，采用同一算法时cache不命中越低；当相联度不变，cache容量增大时，采用同一算法时cache不命中率越低。
4 实验总结与心得

通过本次实验我知道了Cache的不命中率受各方面因素影响，cache容量，cache块大小，以及所采用的算法等因素。