实验五存储体系实验

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1、*ywwnasm 吕啦 zi 毎uoza* Y罄d* d* d* A*、实验目的增进对 cache 工作原理的理解体验程序中访存模式变化是如何影响cache效率进而影响程序性能的过程；学习在X86真实机器上通过调整程序访存模式来探测多级cache结构以及TLB的大小。二、实验内容 按照下面的实验步骤及说明，完成相关操作记录实验过程的截图： (1)x86 cache 层次结构的测量 (90 分)首先，设计一个用于测量x86系统上的cache层次结构的方案，然后设计出相应的 代码；然后，运行你的代码获得相应的测试数据。最后，根据测试数据分析你的x86机器有几级cache，各自容量是多大。(2) 选

2、做：尝试测量你L1 cache行的大小；(3) 选做：尝试测量你的x86机器TLB有多大(报告撰写质量10分)三、实验环境 硬件：桌面 PC 软件： Windows四、实验步骤及说明(1) x86 cache 层次结构的测量 一个程序从存储系统中读取数据的速率为读吞吐量，或者有时称为读带宽。如果一 个程序在s秒的时间段内读n个字节，那么这段时间内的读吞吐量就等于n/s,典型的 是以兆字节每秒(MB/s)为单位的。如果我们要编写一个程序，它从一个紧密程序循环中发出一系列读请求，那么测量 出的读吞吐量能让我们看到对于这个读序列来说的存储系统的性能。关于这个测试，有两个基本的概念：时间局部性与空间局

3、部性。时间局部性：被引用过一次的存储器位置在未来会被多次引用(通常在循环中)。空间局部性：如果一个存储器的位置被引用，那么将来他附近的位置也会被引用。本实验使用的是x64位系统，配置如下图:進器Intel(R) CorefTM) i7-4511 OU CPU 2.00GHz 2.60 GHz已安装的内存RAM：800 GB (7.89 GB 可64隹援件察统r基于x&4的处理器程序主程序代码如下图：3int size; int stride;doiible Mhz;/ * Sbegin mountaliwaain int main)/* Working set size (in bytes *

4、 /* Stride (in array elements */ /* Clock frequ皂nc# */init_datadataf 1-IAXELEMS) ; /* Initializ皂 each 皂丄皂ment in data */Mhz = raiiz 0) ;/* Estimate the clock freq 口巴 */* Send mount：alnmain */* Not shown in 匸h皂 匸皂蛊匸 */printf rrClock frequency is approx 令 If lHznrr, Mhz);print f rrMeir.o ry mount a in

5、 (MB/ sec nrr);printf (rrtrr);for (strid皂=1; s匸工id皂 = MINEYTES; siz皂 = 1)/* Send mount：ainmain */* Not shown in the 匸ext */if (size (1 2C)printf (rr%dintrr r siz皂 /(1 20)elseprint f (rr%dktrr r size / 102);/ *皂gin mountaiiwaain */for (stride = 1; stride = MAXSTR工DE; 5tride+) printf (rr% 1 f trr f ru

6、n (size , stride r Mhz);printf (rrnrr);exit0):-/ * $皂口出 mount：aimnain */五、实验结果运行程序，结果如下：工作时间工作集大小4K8K16K32K64K128K256K512K1M2M4M8M工 作 步 幅 大 小4B1.81.81.81.81.81.81.51.61.61.61.61.68B1.61.61.61.61.51.61.61.61.61.61.91.916B1.61.61.61.61.61.51.61.61.61.92.42.432B1.61.31.51.61.61.61.61.92.02.33.74.264B1.

7、51.61.61.63.63.73.74.25.05.19.110.4128B1.11.41.31.63.73.65.27.111.611.538.442.5256B0.31.11.51.63.73.66.312.119.319.556.164.3512B0.10.31.11.53.73.76.313.520.419.958.872.81K0.10.10.41.13.73.76.516.424.723.775.190.82K0.10.10.10.53.13.78.321.132.831.796.3119.24K0.10.10.12.13.17.522.635.333.6108.4132.58K

8、0.10.10.12.33.619.221.422.537.4108.416K0.10.10.12.816.018.021.626.239.932K0.10.10.39.213.116.125.526.364K0.10.11.29.511.619.026.3128K0.10.11.33.613.318.8256K0.10.11.37.210.3512K0.10.15.17.51M0.10.15.02M0.10.14M0.1丄別00100005000读吞吐觐/g利用 excel 画出存储器山：CACHE大小评估4B -8B A16B M32B 64B 128B I256B512B4K 8K 16

9、K32K64K128K 256K 512 K 1M 2 M 4M 8M 16M工作集大小纵轴是时间，单位是s,从折线中可以看出在工作集大小为128KB, 521KB和8M16M 之间有较大的波动。故可以推断分别为L1，L2, L3Cache的大小分别大约为：128KB，521KB 和4M16M。故可以推断分别为L1，L2，L3Cache的大小分别大约为：128KB, 521KB和 4M16M。验证结果查看本机的配置，L1cache 为 128KB, L2cache 为 512KB，L3cache 为 4MB。2.60 GF離：1内核2逻器：4溜躺已禁用Hyper-V 対#:L1缓存：128 K

10、BL2舉存：512 KBL3綏存:4.0 MB综合来看，能够得出这几个结论：第一，当步长很小时，就算工作集很大，访问速率也在没有过多下降 。这是因为，充 分利用了空间局部性，相同cache块内的数据，只有第一个发生了 miss，而在这次miss之 后，其他数据被一同加载了进来。（空间局限性）第二，当步长很大工作集很小时，访问速度也很高。其实这里的步长并未对访问速度造 成什么影响，因为整个工作集都会加载到cache中。（时间局部性）第三，对于大的工作集合和大的步长，那么 cache 就形同虚设，因为根本就不存在局部 性，cache是为局部性而生的，因此，访问速度只能是memory级别。六、实验总结与体会存储器系统的性能不是一个数字就能描述的。相反，它是一座时间和空间局部性的山， 这座山的上升高度差别可以超过一个数量级。明智的程序员会试图构造他们的程序，使得程 序运行在山峰而不是低谷。目标就是利用时间局部性，使得频繁使用的字从L1中取出，还 要利用空间局部性，使得尽可能多的字从一个L1高速缓存行中访问到。所以，我们往后编写程序时，也要考虑到相关的硬件因素，以此来设计我们的数据结构 和算法，才能有更好的进步。