测量缓存大小

实验1：测量模拟器使用的数据缓存大小

基本思路：从内存中连续读取数组中不同大小的数据，观察平均读取速度。

当数组大小超过数据缓存之后，会出现 L1 DCache 的读缺失，平均读取速度会增加。

实验步骤

在模拟器框架中的 test 目录下，建立一个新的 cpp 文件，用于当作测试负载。这里以 test/sample_cache_size.cpp 为例。

编写如下的代码：

constexpr unsigned ARRAY_SIZE = (1u << 20u);  // 1 MB
char arr[ARRAY_SIZE];

constexpr int totalTime = 32;
constexpr int totalRound = 64;

int main(int argc, char **argv) {
    auto testSize = ((unsigned) argv[0]);
    int sum = 0;
    unsigned step = testSize / totalTime;

    for (int i = 0; i < totalRound; i++)
        for (unsigned j = 0; j < testSize; j += step) sum += arr[j];

    asm volatile(".word 0x0000000b"  // exit mark
    );

    return sum;
}

在实验框架的 cache-exp/cache_size.cpp 中，填充以下逻辑：

#include "cache-exp.h"
#include "processor.h"
#include "runner.h"

unsigned MeasureCacheSize(ProcessorAbstract *p) {

    // TODO: Measure the size of the cache in the given processor
    // The size will be ranged from 512 bytes to 4096 bytes(or 4 KB), and must be a power of 2
    // Return the accurate value

    unsigned testSize[5] = {512, 1024, 2048, 4096, 8192};
    unsigned testTime[5];

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        testTime[i] = execute(p, "./test/sample_cache_size", 1, testSize[i]);
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        Logger::Warn(
            "With test cache size = %u, program simulator ran %u cycles.",
            testSize[i],
            testTime[i]);
    }

    int mx = -1;
    int idx = 0;

    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int delta = ((int) testTime[i + 1]) - ((int) testTime[i]);
        if (delta > mx) {
            mx = delta;
            idx = i;
        }
    }

    return testSize[idx];
}

重新 cmake, 编译框架。设置参数运行 runner 程序。一个例子如下：

./runner -l 5 --cache-size 2048 --block-size 32 -a 4 --replace-type LRU --write-through

观察到类似的输出（后面的实验还没实现，可以直接 Ctrl+C 杀掉程序）：

[  INFO   ] Reading ELF file ./test/sample_cache_size
[ WARNING ] Running ./test/sample_cache_size with following arguments: 
512
[  INFO   ] Reading ELF file ./test/sample_cache_size
[ WARNING ] Running ./test/sample_cache_size with following arguments: 
1024
[  INFO   ] Reading ELF file ./test/sample_cache_size
[ WARNING ] Running ./test/sample_cache_size with following arguments: 
2048
[  INFO   ] Reading ELF file ./test/sample_cache_size
[ WARNING ] Running ./test/sample_cache_size with following arguments: 
4096
[  INFO   ] Reading ELF file ./test/sample_cache_size
[ WARNING ] Running ./test/sample_cache_size with following arguments: 
8192
[ WARNING ] With test cache size = 512, program simulator ran 21052 cycles.
[ WARNING ] With test cache size = 1024, program simulator ran 21167 cycles.
[ WARNING ] With test cache size = 2048, program simulator ran 21292 cycles.
[ WARNING ] With test cache size = 4096, program simulator ran 43497 cycles.
[ WARNING ] With test cache size = 8192, program simulator ran 43420 cycles.
[ WARNING ] Cache Size Test Result: 2048, Actual Cache Size: 2048

可以看到，我们的程序成功测量出了模拟器使用的数据缓存大小，实验成功。

实验步骤说明

testTime[i] = execute(p, "./test/sample_cache_size", 1, testSize[i]);

实验框架提供了一个用于执行自定义用户程序的接口，可以向用户程序传递若干整型参数。

观察 execute 函数的实现，可以得知函数将整型参数放置在了模拟器 807fff00 开始的连续地址空间上。

在实际使用该函数传递参数时，请注意不要覆盖程序的栈空间，同时不要越界，以免发生运行时错误。
auto testSize = ((unsigned) argv[0]);

向程序传递的参数直接放置在 argv 指针开始的地址空间上，可以直接进行使用。

注意参数类型只能为 unsigned 或者 int。
runner 程序

runner 程序封装了对缓存大小，缓存行大小和缓存相连度的测试，同时可以接受 cache 的参数和规格。

我们在评测时也会使用该 runner 程序对你编写的测量逻辑进行测试。

实验要求

重复上述步骤，完成对模拟器使用数据缓存的大小的测量。
在实验报告中简述测量逻辑。

最后更新: 2025年3月11日

作者：cuibst (84.78%), 融凯源 (15.22%)