CSAPP Cache Lab
任务A
任务主要内容分析
- 编写一个 cache 仿真程序，使用valgrind的内存跟踪记录作为输入，模拟高速缓存的命中/未命中行为，然后输出总的命中次数，未命中次数和缓存块的替换次数。
- 实验给出了一个可执行程序 csim-ref，要求实现的仿真程序和 csim-ref 功能相同。
- 仿真程序模拟的 cache 的 s，e，b 参数以输入参数的形式输入。
- 忽略指令加载的操作，要处理的指令包括：L : read，S : write，M : read then write。
- 使用 LRU 算法作为缓存块的替换策略
仿真程序实现 LRU 算法的方式为为每个缓存行添加一个 log 字段，用来记录最近访问情况。每次有更新时将每个有效的缓存行的 log 的值加 1，在每次访问后将对应的缓存行 log 的值设置为 1，在需要替换时选择替换 log 的值最大的缓存块。
仿真程序如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "cachelab.h"
#define BUFF_SIZE 25
#define BEGIN_STATE 0
#define EMPTY_LINE 1
#define REPLACE_LINE 2
#define HIT_LINE 3
void printUsage()
{
printf("Usage: ./csim-ref [-hv] -s <num> -E <num> -b <num> -t <file>\n");
}
void handleFormetError()
{
fprintf(stderr, "./csim-ref: Missing required command line argument\n");
fprintf(stderr, "Usage: ./csim-ref [-hv] -s <num> -E <num> -b <num> -t <file>\n");
}
// 缓存行
typedef struct cacheLine
{
unsigned int valid; // 有效位
unsigned int tag; // 标记位
unsigned int log; // 记录最近访问情况
/*每次有更新时将每个有效的行的 log 的值加 1，
在每次访问后将对应行的 log 的值设置为 1，
需要替换时选择替换 log 的值最大的缓存块
*/
} CacheLine;
// 缓存组
typedef struct cacheSet
{
CacheLine *lines;
} CacheSet;
// 缓存模拟
typedef struct cache
{
CacheSet *sets;
int s, e, b;
} Cache;
typedef struct testLog
{
int miss, hit, eviction;
} TestLog;
// 初始化模拟缓存
Cache *initCache(int s, int e, int b)
{
int setNum = 1 << s;
Cache *newCache = malloc(sizeof(Cache));
newCache->s = s;
newCache->e = e;
newCache->b = b;
newCache->sets = malloc(sizeof(CacheSet) * setNum);
for (int i = 0; i < setNum; ++i)
{
newCache->sets[i].lines = malloc(sizeof(CacheLine) * e);
for (int j = 0; j < e; ++j)
{
newCache->sets[i].lines[j].log = 0;
newCache->sets[i].lines[j].tag = 0;
newCache->sets[i].lines[j].valid = 0;
}
}
return newCache;
}
// 进行一次更新（读或写操作）
void update(Cache *cache, unsigned int address, unsigned int length, TestLog *log, int version)
{
unsigned int setNum, tag, blockOffset;
tag = address >> (cache->b + cache->s);
blockOffset = (address << (64 - cache->b)) >> (64 - cache->b);
setNum = (address << (64 - cache->s - cache->b)) >> (64 - cache->s);
CacheLine *lines = cache->sets[setNum].lines;
int lineNum = 0;
int state = BEGIN_STATE;
for (int i = 0; i < cache->e; ++i)
{
if (lines[i].valid)
{
lines[i].log++;
if (lines[i].tag == tag)
{
lineNum = i;
state = HIT_LINE;
}
}
}
// 如果命中
if (state == HIT_LINE)
{
log->hit++;
if (version)
printf("hit ");
lines[lineNum].log = 0;
}
// 如果没有命中
else
{
log->miss++;
if (version)
printf("miss ");
// 确定要替换的行（或空行）
for (int i = 0; i < cache->e; ++i)
{
if (lines[i].valid)
{
if (state == BEGIN_STATE)
{
lineNum = i;
state = REPLACE_LINE;
}
else if (state == REPLACE_LINE)
{
if (lines[lineNum].log < lines[i].log)
lineNum = i;
}
}
else
{
if (state != EMPTY_LINE)
{
lineNum = i;
state = EMPTY_LINE;
}
}
}
// 进行替换
if (state == REPLACE_LINE)
{
lines[lineNum].log = 0;
lines[lineNum].tag = tag;
log->eviction++;
if (version)
printf("eviction ");
}
// 填入空行
else if (state == EMPTY_LINE)
{
lines[lineNum].log = 0;
lines[lineNum].tag = tag;
lines[lineNum].valid = 1;
}
}
// 判断要更新的内存长度是否超出一个缓存块
unsigned int maxOffset = 1;
for (int i = 0; i < cache->b; ++i)
maxOffset = (maxOffset << 1) + 1;
unsigned int temp = maxOffset - blockOffset + 1;
if (maxOffset < blockOffset + length - 1)
update(cache, address + temp, length - temp, log, version);
}
void testCache(FILE *fp, TestLog *log, int s, int e, int b, int version)
{
Cache *cache = initCache(s, e, b);
char command[BUFF_SIZE] = {0};
char operation;
unsigned int address, length;
while (fgets(command, BUFF_SIZE, fp))
{
if (command[0] != ' ')
continue;
sscanf(command, " %c%x,%x\n", &operation, &address, &length);
if (version)
printf("%c %x,%x ", operation, address, length);
switch (operation)
{
case 'L':
update(cache, address, length, log, version);
break;
case 'S':
update(cache, address, length, log, version);
break;
case 'M':
update(cache, address, length, log, version);
update(cache, address, length, log, version);
break;
default:
break;
}
if (version)
printf("\n");
memset(command, 0, BUFF_SIZE);
}
}
int main(int argc, char const *argv[])
{
int s; // 序号所占的位宽
int e; // 每组的缓存块个数
int b; // 偏移量所占的位宽
int t; // argv[t]为跟踪文件
int version = 0; // 指示 -v 参数
int se = 0, ee = 0, be = 0, te = 0; // 判断 s,e,b,t 参数是否给出
FILE *fp; // 跟踪文件
if (argc == 2)
{
if (strcmp(argv[1], "-h"))
{
handleFormetError();
return EXIT_FAILURE;
}
printUsage();
return EXIT_SUCCESS;
}
else if (argc == 9 || argc == 10)
{
for (int i = 1; i < argc; ++i)
{
if (!strcmp(argv[i], "-s"))
{
s = atoi(argv[++i]);
se = 1;
}
else if (!strcmp(argv[i], "-E"))
{
e = atoi(argv[++i]);
ee = 1;
}
else if (!strcmp(argv[i], "-b"))
{
b = atoi(argv[++i]);
be = 1;
}
else if (!strcmp(argv[i], "-t"))
{
t = ++i;
te = 1;
}
else if (!strcmp(argv[i], "-v"))
version = 1;
}
if (!(se && ee && be && te))
{
handleFormetError();
return EXIT_FAILURE;
}
if (argc == 10 && !version)
{
handleFormetError();
return EXIT_FAILURE;
}
}
else
{
handleFormetError();
return EXIT_FAILURE;
}
// 打开跟踪文件
fp = fopen(argv[t], "r");
if (fp == NULL)
{
fprintf(stderr, "%s: No such file or directory\n", argv[t]);
return EXIT_FAILURE;
}
// 初始化测试记录
TestLog *log = malloc(sizeof(TestLog));
log->eviction = 0;
log->hit = 0;
log->miss = 0;
// 进行模拟测试
testCache(fp, log, s, e, b, version);
printSummary(log->hit, log->miss, log->eviction);
return 0;
}
测试结果：
❯ ./test-csim
Your simulator Reference simulator
Points (s,E,b) Hits Misses Evicts Hits Misses Evicts
3 (1,1,1) 9 8 6 9 8 6 traces/yi2.trace
3 (4,2,4) 4 5 2 4 5 2 traces/yi.trace
3 (2,1,4) 2 3 1 2 3 1 traces/dave.trace
3 (2,1,3) 167 71 67 167 71 67 traces/trans.trace
3 (2,2,3) 201 37 29 201 37 29 traces/trans.trace
3 (2,4,3) 212 26 10 212 26 10 traces/trans.trace
3 (5,1,5) 231 7 0 231 7 0 traces/trans.trace
6 (5,1,5) 265189 21775 21743 265189 21775 21743 traces/long.trace
27
TEST_CSIM_RESULTS=27
任务B
任务主要内容分析
- 实验要求优化矩阵转置程序，尽量减少程序对高速缓存访问的未命中次数。
- 实验已经给定了 cache 的相关参数：s = 5，e = 1，b = 5；因此，cache 共有32 组，每组包括一个缓存行，每行能够存储32字节的数据即 8 个 int 类型的数据。
- 实验要求转置的矩阵共有三种，分别是 32 * 32，64 * 64，61 * 67，每一种情况需要分别考虑。
- 实验要求定义的 int 局部变量总数最多不能超过 12 个。
- 实验给出了优化提示：使用分块技术。
32 * 32
根据 cache 的参数，矩阵的 8 行恰好占满整个 cache。
结合使用分块技术的提示，每次处理一个 8 * 8 的矩阵。A 中的一个 8 * 8 的矩阵 a 需要在转置后存储在 B 中一个 8 * 8 的矩阵 b 的位置。
代码实现如下：
int temp;
for(int i = 0; i < 4; ++i)
{
for(int j = 0; j < 4; ++j)
{
for(int k = 0; k < 8; ++k)
{
for(int t = 0; t < 8; ++t)
{
temp = A[i * 8 + k][j * 8 + t];
B[j * 8 + t][i * 8 + k] = temp;
}
}
}
}
测试结果：
❯ ./test-trans -M 32 -N 32
Function 0 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 0 (Transpose submission): hits:1709, misses:344, evictions:312
Function 1 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 1 (Simple row-wise scan transpose): hits:869, misses:1184, evictions:1152
Summary for official submission (func 0): correctness=1 misses=344
TEST_TRANS_RESULTS=1:344
实验要求 miss 次数要小于 300，因此还需要继续优化。
注意到在矩阵 a 主对角线上的元素与矩阵 b 主对角线上的元素会映射到 cache 中的同一行，如果采用上面的写法，在读取完 a 主对角线上的元素后写入 b 时会将 cache 中 a 的一行替换掉，这样在接着读取 a 这一行后面的元素时就会产生未命中。如果利用局部变量一次性将 a 的一行全部读出来，再进行后续的写入，就可以避免这个问题。
修改后的代码如下：
int x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7;
for (int i = 0; i < 4; ++i)
{
for (int j = 0; j < 4; ++j)
{
for (int k = 0; k < 8; ++k)
{
x0 = A[i * 8 + k][j * 8];
x1 = A[i * 8 + k][j * 8 + 1];
x2 = A[i * 8 + k][j * 8 + 2];
x3 = A[i * 8 + k][j * 8 + 3];
x4 = A[i * 8 + k][j * 8 + 4];
x5 = A[i * 8 + k][j * 8 + 5];
x6 = A[i * 8 + k][j * 8 + 6];
x7 = A[i * 8 + k][j * 8 + 7];
B[j * 8][i * 8 + k] = x0;
B[j * 8 + 1][i * 8 + k] = x1;
B[j * 8 + 2][i * 8 + k] = x2;
B[j * 8 + 3][i * 8 + k] = x3;
B[j * 8 + 4][i * 8 + k] = x4;
B[j * 8 + 5][i * 8 + k] = x5;
B[j * 8 + 6][i * 8 + k] = x6;
B[j * 8 + 7][i * 8 + k] = x7;
}
}
}
测试结果达到要求：
❯ ./test-trans -M 32 -N 32
Function 0 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 0 (Transpose submission): hits:1765, misses:288, evictions:256
Function 1 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 1 (Simple row-wise scan transpose): hits:869, misses:1184, evictions:1152
Summary for official submission (func 0): correctness=1 misses=288
TEST_TRANS_RESULTS=1:288
64 * 64
由于矩阵大小的变化，矩阵的 4 行就会占满整个 cache。在一个 8 * 8 的分块中，第 0，1，2，3 行和第 4，5，6，7 行会映射到 cache 的同一行上，在写 cache 时会出现 conflict miss，因此，不能再像前面那样分成 8 * 8 的矩阵进行处理。
一个显然的想法是将 8 * 8 的分块变成 4 * 4 的分块进行处理，代码如下：
int tmp[4];
for (int i = 0; i < 16; ++i)
{
for (int j = 0; j < 16; ++j)
{
for (int k = 0; k < 4; ++k)
{
x0 = A[i * 4 + k][j * 4];
x1 = A[i * 4 + k][j * 4 + 1];
x2 = A[i * 4 + k][j * 4 + 2];
x3 = A[i * 4 + k][j * 4 + 3];4
B[j * 4][i * 4 + k] = x0;
B[j * 4 + 1][i * 4 + k] = x1;
B[j * 4 + 2][i * 4 + k] = x2;
B[j * 4 + 3][i * 4 + k] = x3;
}
}
}
测试结果：
❯ ./test-trans -M 64 -N 64
Function 0 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 0 (Transpose submission): hits:6497, misses:1702, evictions:1670
Function 1 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 1 (Simple row-wise scan transpose): hits:3473, misses:4724, evictions:4692
Summary for official submission (func 0): correctness=1 misses=1702
TEST_TRANS_RESULTS=1:1702
实验要求 miss 的次数小于 1300，简单地将 8 * 8 的分块改为 4 * 4 并不能达到要求。
分析一下，cache 每一行能够存储 8 个数，而上面的程序中每次只读取 4 个数，对 cache 的利用率比较低。要继续优化，应该想办法提高 cache 的利用率。
实验限制了局部变量的个数，但可以将需要利用 B 矩阵进行暂存。
要最大限度利用 cache，应该要尽量读取连续的 8 个数进行处理，因此必定需要对 8 * 8 的矩阵进行分块处理。结合 4 行就占满了 cache 的性质，可以将 8 * 8 的矩阵划分为 4 个 4 * 4 的矩阵进行处理。
首先，对于前四行的，将 A 左上角的转置矩阵存入 B 的左上角，将 A 右上角的转置矩阵存入 B 的右上角。可以通过每次读取一行 8 个数，将它们存到 B 矩阵的对应位置实现。
然后，取出 A 左下角的一列和 B 右上角的一行，将 A 左下角的一列存入 B 右上角的一行，将 B 右上角的一行存入 B 左下角的一行。
最后，将 A 右下角转置矩阵存入 B 右下角。
代码实现如下：
int x0, x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7;
for (int i = 0; i < 64; i += 8)
{
for (int j = 0; j < 64; j += 8)
{
// 前 4 行处理
// A 左上角转置矩阵存入 B 左上角
// A 右上角转置矩阵存入 B 右上角
for (int k = i; k < i + 4; ++k)
{
// 取出一行 8 个 int（即一个缓存行）
x0 = A[k][j];
x1 = A[k][j + 1];
x2 = A[k][j + 2];
x3 = A[k][j + 3];
x4 = A[k][j + 4];
x5 = A[k][j + 5];
x6 = A[k][j + 6];
x7 = A[k][j + 7];
// A 左上角转置矩阵存入 B 左上角
B[j][k] = x0;
B[j + 1][k] = x1;
B[j + 2][k] = x2;
B[j + 3][k] = x3;
// A 右上角转置矩阵存入 B 右上角
B[j][k + 4] = x4;
B[j + 1][k + 4] = x5;
B[j + 2][k + 4] = x6;
B[j + 3][k + 4] = x7;
}
// 取出 A 左下角的一列和 B 右上角的一行
// A 左下角的一列存入 B 右上角的一行
// B 右上角的一行存入 B 左下角的一行
for (int k = 0; k < 4; ++k)
{
// 取出 B 右上角的一行
x0 = B[j + k][i + 4];
x1 = B[j + k][i + 5];
x2 = B[j + k][i + 6];
x3 = B[j + k][i + 7];
// 取出 A 左下角的一列
x4 = A[i + 4][j + k];
x5 = A[i + 5][j + k];
x6 = A[i + 6][j + k];
x7 = A[i + 7][j + k];
// A 左下角的一列存入 B 右上角的一行
B[j + k][i + 4] = x4;
B[j + k][i + 5] = x5;
B[j + k][i + 6] = x6;
B[j + k][i + 7] = x7;
// B 右上角的一行存入 B 左下角的一行
B[j + k + 4][i] = x0;
B[j + k + 4][i + 1] = x1;
B[j + k + 4][i + 2] = x2;
B[j + k + 4][i + 3] = x3;
}
// A 右下角转置矩阵存入 B 右下角
for (int k = i + 4; k < i + 8; ++k)
{
x4 = A[k][j + 4];
x5 = A[k][j + 5];
x6 = A[k][j + 6];
x7 = A[k][j + 7];
// A 右下角转置矩阵存入 B 右下角
B[j + 4][k] = x4;
B[j + 5][k] = x5;
B[j + 6][k] = x6;
B[j + 7][k] = x7;
}
}
}
测试结果达到要求：
❯ ./test-trans -M 64 -N 64
Function 0 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 0 (Transpose submission): hits:9017, misses:1228, evictions:1196
Function 1 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 1 (Simple row-wise scan transpose): hits:3473, misses:4724, evictions:4692
Summary for official submission (func 0): correctness=1 misses=1228
TEST_TRANS_RESULTS=1:1228
61 * 67
和上面的 64 * 64 相比，要求 miss 次数小于 2000，条件明显宽松，使用简单的 8 * 8 分块尝试一下：
for (int i = 0; i < N; i += 8)
{
for (int j = 0; j < M; j += 8)
{
for (int k = i; k < i + 8 && k < N; k++)
{
for (int l = j; l < j + 8 && l < M; l++)
{
B[l][k] = A[k][l];
}
}
}
}
测试结果已经达到了要求：
❯ ./test-trans -M 61 -N 67
Function 0 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 0 (Transpose submission): hits:6186, misses:1993, evictions:1961
Function 1 (2 total)
Step 1: Validating and generating memory traces
Step 2: Evaluating performance (s=5, E=1, b=5)
func 1 (Simple row-wise scan transpose): hits:3755, misses:4424, evictions:4392
Summary for official submission (func 0): correctness=1 misses=1993
TEST_TRANS_RESULTS=1:1993
综合测试结果
❯ ./driver.py
Part A: Testing cache simulator
Running ./test-csim
Your simulator Reference simulator
Points (s,E,b) Hits Misses Evicts Hits Misses Evicts
3 (1,1,1) 9 8 6 9 8 6 traces/yi2.trace
3 (4,2,4) 4 5 2 4 5 2 traces/yi.trace
3 (2,1,4) 2 3 1 2 3 1 traces/dave.trace
3 (2,1,3) 167 71 67 167 71 67 traces/trans.trace
3 (2,2,3) 201 37 29 201 37 29 traces/trans.trace
3 (2,4,3) 212 26 10 212 26 10 traces/trans.trace
3 (5,1,5) 231 7 0 231 7 0 traces/trans.trace
6 (5,1,5) 265189 21775 21743 265189 21775 21743 traces/long.trace
27
Part B: Testing transpose function
Running ./test-trans -M 32 -N 32
Running ./test-trans -M 64 -N 64
Running ./test-trans -M 61 -N 67
Cache Lab summary:
Points Max pts Misses
Csim correctness 27.0 27
Trans perf 32x32 8.0 8 288
Trans perf 64x64 8.0 8 1228
Trans perf 61x67 10.0 10 1993
Total points 53.0 53
