硬件体系结构中的缓存的定性与定量分析案例

摘要：

本文主要就硬件体系结构中，cache对处理器性能的影响给出定量统计的例子，并且由定量的结果如何推导出定性的结论。

问题描述:

假设某顺序执行的处理器，其平均缺失率为2%，平均每条指令要访问存储器1.5次，cache缺失代价为100个周期；

此处将cache命中时间包含在cpu执行时间内，cpu理想的cpi为1.0。比较cache的存在与否，对于性能的影响。

问题解答：

这里的性能评估从cpu时间入手：

那么我们将对应的数据代入后：

就可以得到在存在cache的情况下的cpu时间；

那么接下来我们讨论，在不存在cache的情况下，cpu时间应该如何表示？不存在cache，也即意味着每次访问都是缺失，

那么1000条指令会有1500次内存访问，对应的停顿时钟周期为1500*100，然后再除以指令数1000后，我们得到：

CPU时间(无cache) = 151*指令数*时钟周期时间

因此我们得出结论，在存在cache和不存在cache的情况下，两者的性能相差接近40倍。

定性的结论：

cache对于低cpi和高时钟频率的cpu的性能影响尤其重要；

分析：

我们看上述定性结论的前半部分，为什对于低cpi的尤其重要？我们回到上述的公式，性能之比可以表示为：

考察上述的公式，可以发现如果cpi=1.0变得更大一点的话，那么性能之比会相应地变小，这也就意味着

cache的存在对于高cpi的cpu的性能影响没有对于低cpi的cpu的性能影响大。

同样的道理，如果高时钟频率的话，那么相应的150和3会显得更大，造成性能之比变大，也就意味着性能

影响越显著；

因此，从对于上述公式的考察，我们可以得到如下的定性结论（由定量分析到定性结论的过程）：

cache对于低cpi和高时钟频率的cpu的性能影响尤其重要；