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1、第5章 存储层次 讲解者：刘东波 联系方式：15574884845,Cache性能分析 降低Cache不命中率的方法 本讲小结,本讲主要内容,重点与难点,重点 根据平均访存时间公式和CPU执行时间公式进行Cache性能分析 降低Cache不命中率的6种方法 难点 Cache性能分析 伪相联Cache工作原理,5.2.7 Cache的性能分析,不命中率 与硬件速度无关 容易产生一些误导 平均访存时间 平均访存时间 命中时间失效率失效开销,5.2.7 Cache的性能分析,非常重要！,程序执行时间 CPU时间（CPU执行周期数+存储器停顿周期数） 时钟周期时间 其中： 存储器停顿时钟周期数“读”的
2、次数读不命中率读不命中开销“写”的次数写不命中率写不命中开销 存储器停顿时钟周期数访存次数不命中率不命中开销,CPU时间（CPU执行周期数+访存次数不命中率不命中开销） 时钟周期时间,=IC（CPIexecution每条指令的平均访存次数不命中率 不命中开销） 时钟周期时间,5.2 Cache基本知识,例5.1 用一个和Alpha AXP类似的机器作为第一个例子。假设Cache不命中开销为50个时钟周期，当不考虑存储器停顿时，所有指令的执行时间都是2.0个时钟周期，访问Cache不命中率为2%，平均每条指令访存1.33次。试分析Cache对性能的影响。 解 CPU时间有cacheIC （CPI
3、execution每条指令的平均访存次数 不命中率不命中开销） 时钟周期时间 IC （2.01.332 %50） 时钟周期时间 IC 3.33 时钟周期时间,5.2 Cache基本知识,考虑Cache的不命中后，性能为： CPU时间有cacheIC（2.01.332 %50）时钟周期时间 IC3.33时钟周期时间 实际CPI ：3.33 3.33/2.0 = 1.67(倍) CPU时间也增加为原来的1.67倍。 但若不采用Cache,则： CPI2.0501.3368.5,5.2 Cache基本知识,Cache不命中对于一个CPI较小而时钟频率较高的CPU来说，影响是双重的： CPIexecu
4、tion越低，固定周期数的Cache不命中开销的相对影响就越大。 在计算CPI时，不命中开销的单位是时钟周期数。因此，即使两台计算机的存储层次完全相同，时钟频率较高的CPU的不命中开销较大，其CPI中存储器停顿这部分也就较大。 因此Cache对于低CPI、高时钟频率的CPU来说更加重要。,例5.2 考虑两种不同组织结构的Cache：直接映像Cache和两路组相联Cache，试问它们对CPU的性能有何影响？先求平均访存时间，然后再计算CPU性能。分析时请用以下假设：,(1)理想Cache（命中率为100%）情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.3次。 (2)两种Cache
5、容量均为64KB，块大小都是32字节。 (3)在组相联Cache中，由于多路选择器的存在而使CPU的时钟周期增加到原来的1.10倍。这是因为对Cache的访问总是处于关键路径上，对CPU的时钟周期有直接的影响。,(4) 这两种结构Cache的不命中开销都是70ns。（在实际应用中，应取整为整数个时钟周期） (5) 命中时间为1个时钟周期，64KB直接映像Cache的不命中率为1.4%，相同容量的两路组相联Cache的不命中率为1.0%。,5.2 Cache基本知识,解 平均访存时间为： 平均访存时间命中时间不命中率不命中开销 因此，两种结构的平均访存时间分别是： 平均访存时间1路2.0（0.0
6、1470）2.98ns 平均访存时间2路2.01.10（0.01070）2.90ns 两路组相联Cache的平均访存时间比较低。 CPU时间IC（CPIexecution每条指令的平均访存次数 不命中率不命中开销） 时钟周期时间 IC（CPIexecution 时钟周期时间每条指令的 平均访存次数不命中率不命中开销时钟周期时间）,5.2 Cache基本知识,因此： CPU时间1路 IC(2.02(1.30.01470) 5.27IC CPU时间2路 IC(2.021.10(1.30.01070) 5.31IC,直接映像Cache的平均性能好一些。,5.2 Cache基本知识,平均访存时间命中时
7、间不命中率不命中开销 可以从三个方面改进Cache的性能： 降低不命中率 减少不命中开销 减少Cache命中时间 17种Cache优化技术 8种用于降低不命中率 5种用于减少不命中开销 4种用于减少命中时间,5.2.8 改进Cache的性能,三种类型的不命中(3C) 强制性不命中(Compulsory miss) 当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性不命中。 (冷启动不命中，首次访问不命中） 容量不命中(Capacity miss ) 如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生不命中。这种不
8、命中称为容量不命中。,5.3 降低Cache不命中率,5.3.1 三种类型的不命中,5.3 降低Cache不命中率,冲突不命中(Conflict miss) 在组相联或直接映像Cache中，若太多的块映像到同一组(块)中，则会出现该组中某个块被别的块替换(即使别的组或块有空闲位置)，然后又被重新访问的情况。这就是发生了冲突不命中。 (碰撞不命中，干扰不命中) 三种不命中所占的比例 图示I(绝对值) 图示(相对值),5.3 降低Cache不命中率,5.3 降低Cache不命中率,5.3 降低Cache不命中率,可以看出： 相联度越高，冲突不命中就越少； 强制性不命中和容量不命中不受相联度的影响；
9、 强制性不命中不受Cache容量的影响，但容量不命中却随着容量的增加而减少。,5.3 降低Cache不命中率,减少三种不命中的方法 强制性不命中：增加块大小，预取 （本身很少） 容量不命中：增加容量 （抖动现象） 冲突不命中：提高相联度 （理想情况：全相联） 许多降低不命中率的方法会增加命中时间或不命中开销,5.3 降低Cache不命中率,不命中率与块大小的关系 对于给定的Cache容量，当块大小增加时，不命中率开始是下降，后来反而上升了。 原因： 一方面它减少了强制性不命中； 另一方面，由于增加块大小会减少Cache中块的数目，所以有可能会增加冲突不命中。 Cache容量越大，使不命中率达到
10、最低的块大小就越大。 增加块大小会增加不命中开销,5.3.2 增加Cache块大小,5.3 降低Cache不命中率,不命中率随块大小变化的曲线,5.3 降低Cache不命中率,各种块大小情况下Cache的不命中率,5.3 降低Cache不命中率,最直接的方法是增加Cache的容量 缺点: 增加成本 可能增加命中时间 这种方法在片外Cache中用得比较多,5.3.3 增加Cache的容量,5.3 降低Cache不命中率,采用相联度超过8的方案的实际意义不大。 2:1 Cache经验规则 容量为N的直接映像Cache的不命中率和容量为N/2的两路组相联Cache的不命中率差不多相同。 提高相联度是
11、以增加命中时间为代价。,5.3.4 提高相联度,5.3 降低Cache不命中率,多路组相联的低不命中率和直接映像的命中速度 伪相联Cache的优点 命中时间小 不命中率低,5.3.5 伪相联 Cache (列相联 Cache ),优点,缺点,直接映像,组相联,命中时间小,命中时间大,不命中率高,不命中率低,基本思想及工作原理 （动画演示） 在逻辑上把直接映像Cache的空间上下平分为两个区。对于任何一次访问，伪相联Cache先按直接映像Cache的方式去处理。若命中，则其访问过程与直接映像Cache的情况一样。若不命中，则再到另一区相应的位置去查找。若找到，则发生了伪命中，否则就只好访问下一级
12、存储器。,5.3 降低Cache不命中率,缺点： 多种命中时间,快速命中与慢速命中 要保证绝大多数命中都是快速命中。,不命中开销,5.3 降低Cache不命中率,指令和数据都可以预取 预取内容既可放入Cache，也可放在外缓冲器中。 例如：指令流缓冲器 指令预取通常由Cache之外的硬件完成 预取效果 Joppi的研究结果 指令预取 (4KB，直接映像Cache，块大小16字节) 1个块的指令流缓冲器： 捕获1525的不命中 4个块的指令流缓冲器： 捕获50 16个块的指令流缓冲器：捕获72,5.3.6 硬件预取,5.3 降低Cache不命中率,数据预取 (4KB,直接映像Cache) 1个数
13、据流缓冲器：捕获25的不命中 还可以采用多个数据流缓冲器 Palacharla和Kessler的研究结果 流缓冲器：既能预取指令又能预取数据 对于两个64KB四路组相联Cache来说： 8个流缓冲器能捕获5070的不命中 预取应利用存储器的空闲带宽，不能影响对正常不命中的处理，否则可能会降低性能。,5.3 降低Cache不命中率,一种能减少冲突不命中次数而又不影响时钟频率的方法。 基本思想 在Cache和它从下一级存储器调数据的通路之间设置一个全相联的小Cache，称为“牺牲”Cache（Victim Cache）。用于存放被替换出去的块(称为牺牲者)，以备重用。 工作过程,5.3.9 “牺牲” Cache,5.3 降低Cache不命中率,作用 对于减小冲突不命中很有效，特别是对于小容量的直接映像数据Cache，作用尤其明显。 例如 项数为4的Victim Cache: 能使4KB Cache的冲突不命中减少20%90%,本章小结,掌握Cache性能分析的方法，熟练运用公式计算CPU执行时间和平均访存时间 掌握Cache不命中的三种类型的产生原因及其相互关联 掌握常见6种降低Cache不命中率的方法,
