实验5 Cache实验.docx
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实验5Cache实验
深圳大学实验报告
课程名称：
计算机系统
（2）
实验项目名称：
Cache实验
学院：
计算机与软件学院
专业：
计算机与软件学院所有专业
指导教师：
罗秋明
报告人：
学号：
班级：
实验时间：
2017年6月6日
实验报告提交时间：
2017年6月9日
教务处制
一、实验目标：
了解Cache对系统性能的影响
二、实验环境：
1、个人电脑（IntelCPU）
2、Fedora13Linux操作系统
三、实验内容与步骤
1、编译并运行程序A，记录相关数据。
2、不改变矩阵大小时，编译并运行程序B，记录相关数据。
3、改变矩阵大小，重复1和2两步。
4、通过以上的实验现象，分析出现这种现象的原因。
程序A：
#include
#include
#include
main（intargc,char*argv[]）
{
float*a,*b,*c,temp;
longinti,j,k,size,m;
structtimevaltime1,time2;
if（argc<2）{
printf（"\n\tUsage:
%s\n",argv[0]）;
exit（-1）;
}//if
size=atoi（argv[1]）;
m=size*size;
a=（float*）malloc（sizeof（float）*m）;
b=（float*）malloc（sizeof（float）*m）;
c=（float*）malloc（sizeof（float）*m）;
for（i=0;ifor（j=0;ja[i*size+j]=（float）（rand（）%1000/100.0）;
b[i*size+j]=（float）（rand（）%1000/100.0）;
}
gettimeofday（&time1,NULL）;
for（i=0;ifor（j=0;j{
c[i*size+j]=0;
for（k=0;kc[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[k*size+j];
}
gettimeofday（&time2,NULL）;
time2.tv_sec-=time1.tv_sec;
time2.tv_usec-=time1.tv_usec;
if（time2.tv_usec<0L）{
time2.tv_usec+=1000000L;
time2.tv_sec-=1;
}
printf（"Executiontime=%ld.%6ldseconds\n",time2.tv_sec,time2.tv_usec）;
}//for
return（0）;
}//main
程序B：
#include
#include
#include
main（intargc,char*argv[]）
{
float*a,*b,*c,temp;
longinti,j,k,size,m;
structtimevaltime1,time2;
if（argc<2）
{
printf（"\n\tUsage:
%s\n",argv[0]）;
exit（-1）;
}
size=atoi（argv[1]）;
m=size*size;
a=（float*）malloc（sizeof（float）*m）;
b=（float*）malloc（sizeof（float）*m）;
c=（float*）malloc（sizeof（float）*m）;
for（i=0;ifor（j=0;j{
a[i*size+j]=（float）（rand（）%1000/100.0）;
c[i*size+j]=（float）（rand（）%1000/100.0）;
}
gettimeofday（&time1,NULL）;
for（i=0;ifor（j=0;j{
b[i*size+j]=c[j*size+i];
for（i=0;ifor（j=0;j{
c[i*size+j]=0;
for（k=0;kc[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[j*size+k];
}//for
gettimeofday（&time2,NULL）;
time2.tv_sec-=time1.tv_sec;
time2.tv_usec-=time1.tv_usec;
if（time2.tv_usec<0L）
{
time2.tv_usec+=1000000L;
time2.tv_sec-=1;
}
printf（"Executiontime=%ld.%6ldseconds\n",time2.tv_sec,time2.tv_usec）;
}//for
return（0）;
}
四、实验结果及分析
1、用C语言实现矩阵（方阵）乘积一般算法（程序A），填写下表：
矩阵大小
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
一般算法执行时间
0.10820
1.187500
14.580716
52.845242
128.881631
299.608978
489.892444
分析：
由下图1，可得到上表的结果，程序主要代码如下所示，对二维数组b是跳跃的，类似下表1的访问顺序，这样导致了程序的空间局部性很差：
for（j=0;j{
c[i*size+j]=0;
for（k=0;kc[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[k*size+j];
}
图1
表1
地址
0
4
8
12
16
20
内容
a00
a01
a02
a10
a11
a12
访问顺序
1
3
5
2
4
6
以下图2说明为什么空间局部性差：
图2
矩阵大小
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
一般算法执行时间
0.10820
1.187500
14.580716
52.845242
128.881631
299.608978
489.892444
2、程序B是基于Cache的矩阵（方阵）乘积优化算法，填写下表：
矩阵大小
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
优化算法执行时间
0.6577
0.717462
5.773118
20.691679
48.990552
93.116206
162.921198
分析：
由下图4可以得到上表的数据，由下面主要代码可知，优化后的代码访问数组b的顺序类似下图3，这样相对程序A对cache的命中率大大得到了提高：
for（j=0;j{
c[i*size+j]=0;
for（k=0;kc[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[j*size+k];
}//for
图3
表2
地址
0
4
8
12
16
20
内容
a00
a01
a02
a10
a11
a12
访问顺序
1
2
3
4
5
6
以下图说明为什么程序B的空间局部性好：
图4
3、优化后的加速比（speedup）
矩阵大小
100
500
1000
1500
2000
2500
3000
加速比
0.1645
1.6551399
2.52562
2.553937
2.630745
3.21758
3.00693
加速比定义：
加速比=优化前系统耗时/优化后系统耗时；
所谓加速比，就是优化前的耗时与优化后耗时的比值。
加速比越高，表明优化效果越明显。
分析：
由下图知，总体上来说，当size越大时，对程序B的优化效果越好，即命中率更高，局部空间性更好。
五、实验总结与体会
1、通过该实验，对cache的原理有了感性上的一点认识，即因为cpu和主存的速度上的差距，故而在CPU和主存之间设计了一级或多级的cache，cache为SRAM（静态随机存储器），因为cache时钟周期明显高于主存，故而加快了计算机的速度；
2、Cache和主存或cache和cache之间的数据传输是以块为最小单位，块里面保存着多个相邻地址的数据。
例如：
程序中存在一个数组int型b[4][4],块的大小为16字节，当第一次使用该数组时，例如使用了b[0][0]，会将主存中b[0][0]所在块放到cache中，因为块保存着主存相邻的数据，故而它里面很可能包含着b[0][1]、b[0][2]、b[0][3]，如果按b[0][1]、b[0][2]、b[0][3]顺序调用数组，这样就提高了cache的命中率，减少了时钟周期。
如果按照b[1][0]、b[2][0]、b[3][0]的顺序访问，则因为cache的空间有限，当引入b[1][0]、b[2][0]、b[3][0]所在块时，可能将b[0][0]所在的块替换了，此时CPU再使用b[0][1]时，则需要重新从主存中拷贝b[0][1]所在块，这使cache的命中率下降了，增加了时间周期。
指导教师批阅意见：
成绩评定：
指导教师签字：
罗秋明
2017年6月25日
备注：
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