[硬件结构]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样例，而且由定量的结果怎样推导出定性的结论。

问题描写叙述:

如果某顺序运行的处理器，其平均缺失率为2%，平均每条指令要訪问存储器1.5次，cache缺失代价为100个周期。

此处将cache命中时间包括在cpu运行时间内，cpu理想的cpi为1.0。比較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：

那么我们将相应的数据代入后：

就能够得到在存在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时间应该怎样表示？不存在cache。也即意味着每次訪问都是缺失，

那么1000条指令会有1500次内存訪问。相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，性能之比能够表示为：

考察上述的公式，能够发现假设cpi=1.0变得更大一点的话，那么性能之比会对应地变小，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。

相同的道理，假设高时钟频率的话。那么对应的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，我们能够得到例如以下的定性结论（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；

结论和启示：

这个样例的精彩之处在于：怎样从公式或者说定量的分析。导出定性的结论。