CSAPP Cache实验

#include <sys/time.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

main (int argc,char *argv[])

{

float *a,*b,*c,temp;
long int i,j,k,size,m;
struct timeval time1,time2;
if (argc<2)
{

printf("\n\tUsage:%s <Row of squarematrix>\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;i<size;i++)
  for(j=0;j<size;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;i<size;i++)

for (j=0;j<size;j++)

{

b[i*size+j] =c[j*size+i];

for(i=0;i<size;i++)

for(j=0;j<size;j++)

{

       c[i*size+j]= 0;

for(k=0;k<size;k++)

c[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：

分析：

1)   由图下图1可得到上表的结果，程序的主要代码如下黄色背景，对二维数组b是跳跃的，类似下图2的访问顺序，这样导致了程序的空间局部性很差：

for(j=0;j<size;j++)

{

   c[i*size+j] = 0;

for(k=0;k<size;k++)

c[i*size+j] +=a[i*size+k]*b[k*size+j];

   }

图1

图2

2)   以下图3说明为什么空间局部性差：

 图3

2、  程序B是基于Cache的矩阵（方阵）乘积优化算法，填写下表：

分析：

1)       由下图4可以得到上表的数据，由标黄的主要代码可知，优化后的代码访问数组b的顺序类似下图5，这样相对程序A对cache的命中率大大得到了提高：

for(j=0;j<size;j++)

{

      c[i*size+j] = 0;

for (k=0;k<size;k++)

c[i*size+j] += a[i*size+k] *b[j*size+k];

} //for

图4

图5

2)       同样由图6说明为什么程序B的空间局部性好：

图6

3)       图7为程序A和程序B的性能对比，可以看出，当size越来越大时，cache的对性能的影响越明显：

图7

3、  优化后的加速比（speedup）

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8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。

图8

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；

3、我们以后写程序时，要考虑到cache的原理，这样我们的写的程序执行起来才更高效。