Cache性能分析例题3：平均访存时间和CPU时间的计算

题目内容

考虑两种不同组织结构的Cache的性能以及其对CPU性能的影响。分析时请用以下假设： （1）两种Cache分别为直接映像Cache和2路组相联Cache，容量均为128KB，块大小都是64字节。 （2）理想Cache（命中率100%）情况下的CPI为1.6，时钟周期为0.35ns，平均每条指令访存1.4次。 （3）命中时间为1个时钟周期，直接映像Cache的失效率为2.1%，2路组相联Cache的失效率为1.9%。失效开销都是65ns（在实际应用中，应取整为整数个时钟周期）。 （4）组相联Cache中，必须增加多路选择器，用于根据标识匹配的结果从相应组的块中选择所需的数据。因为CPU的速度直接与Cache命中的速度紧密相关，所以对于组相联Cache，由于多路选择器的存在而使CPU的时钟周期增加到原来的1.35倍。

题目分析

评价类问题首先确定评价指标。对于Cache的性能和CPU的性能，可以用Cache的平均访存时间和CPU时间来进行衡量。因此我们只需要分别计算出两种组织结构Cache的平均访存时间和CPU时间进行比较即可。

平均访存时间的求解与比较

首先分析平均访存时间公式如下：

平均访存时间=命中时间+失效率×失效开销

本题中直接映像Cache的时钟周期根据（2）可知，为0.35ns，而2路组相联Cache的时钟周期由（4）可知是直接映像Cache的1.35倍，因此也可以计算。 两种Cache的失效率和失效开销在（3）中都已经给出。 因此公式中的各个变量的值都已知，即可进行代入运算，运算过程如下：

2路组相联Cache时钟周期=0.35ns×1.35=0.4725(ns) 直接映像Cache平均访存时间=0.35ns+2.1%×65ns=1.72(ns) 2路组相联Cache平均访存时间=0.4725ns+1.9%×65ns=1.71(ns)

因此可以看出本题中2路组相联Cache的平均访问时间少于直接映像Cache的平均访问时间。

CPU时间的求解与比较

首先列出CPU时间公式如下：

CPU时间=指令数×(执行CPI+访存次数/指令数×失效率×失效开销)×时钟周期时间

本题中指令数虽然未知，但是可以通过求比值约分的方法忽略掉。 两种Cache的时钟周期时间、执行CPI均已知。访存次数/指令数即每条指令的平均访存次数，在题目中已经给出。 失效率和失效开销在题目条件中也已经给出。 因此可以求出两种Cache的CPU时间的比值。计算过程如下所示：

直接映射Cache的CPU时间=指令数×(1.6+1.4×2.1%×65ns)×0.35=2.47×指令数 2路组相联Cache的CPU时间=指令数×(1.6+1.4×1.9%×65ns)×0.35×1.35=2.49×指令数

因此可以看出本题中直接映射Cache的CPU时间低于2路组相联Cache的CPU时间。