5. Hierarchický koncept pamětí, cache - 2. část

• pro vyučující: cvičení 5

Cílem tohoto cvičení je prohloubit znalosti o cache, ujasnit a na příkladu ukázat principy časové a prostorové lokality, a zamyslet se nad otázkou optimalizace parametrů cache.

Uvažujte níže uvedený program read_array.S.

.set noreorder
.globl    pole

.text
.globl start
.ent start

start:

la   $s0, pole       // adresa zacateku pole do registru s0
addi $s1, $0, 3      // Pocet pruchodu cyklem (pocet iteraci)
nop                  // Proc je zde nop? Zkuste jej odranit.. Zmeni se hit rate?

loop:
    beq $s1, $0, konec
    nop
    lw $s2, 0($s0)      // Cteni 0-teho prvku pole
    lw $s2, 4($s0)      // Cteni 1. prvku (4/4=1)

    lw $s2, 36($s0)     // Cteni 9. prvku (36/4=9)
    lw $s2, 40($s0)     // Cteni 10.prvku (40/4=10)
   
    addi $s1, $s1, -1
    j loop
    nop
konec:
nop  

end_loop:           //Koncova nekonecna smycka
    break
    j end_loop
    nop

.end start

.data
.org 0x2000
pole:
.word    1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12

Dále uvažujte instrukční a datovou slovně zarovnanou cache, každou o velikosti 8 slov (1 slovo = 4B), strategie nahrazování (Replacement policy) LRU. Vyplňte následující tabulku pro instrukční a pro datovou cache. Detailně sledujte vykonávání programu a přístupy do cache.

Datová cache:

Instrukční cache:

• K jakému závěru jste přišli? Která cache je nejlepší?
• Je plně asociativní cache vždy nejlepší?
• Závisí Hit rate od vykonávaného programu, nebo je to parametr cache?
• Můžou být v cache data, která procesor nikdy nevyužije? (data, které nežádá, nebo instrukce, které nikdy nevykoná)
• Jaká je ideální velikost bloku? Od čeho se tento parametr odvíjí?
• Která cache je pro danou velikost nejlevnější?
• Co všechno se do cache ukládá?
• Jakou instrukční a datovou cache má procesor Vašeho počítače? Uveďte parametry velikost cache, počet cest a velikost bloku.

Na druhém cvičení jste měli za úkol připravit program, který počítá součet dvou vektorů o délce čtyř prvků. Upravte program pro délku 16 prvků. Umístěte tři vektory tak, aby na sebe navazovaly. Nastavte parametry na 4 sety s bloky o čtyřech slovech při stupni asociativity 2 (32 = 4 x 4 x 2). Politiku nahrazování volte LRU a pro zápis write-back. Nastavte časování souvislého sledu čtení/zápisů (burst) na 2. Sledujte chování pokud se cílový vektor shoduje s jedním ze vstupních. Dále pokud se jedná o tři různé vektory. Dále vložte mezi druhý a třetí vektor 4 slova. Změňte parametry cache na (32 = 2 x 4 x 4).

Vysvětlete pozorované chování.

Pozn. Jelikož máte write-back, tak nezapomeňte nakonec dát instrukci
cache 9, 0(\$0)
která vyprázní cache a zapíše do paměti, a v makefile odkomentujte řádek
ARCHFLAGS += -march=mips3
aby ji překladač znal.

Uvažujte program z minulého cvičení (insert sort) a cache o velikosti 8 slov. Pro jakou strategii nahrazování (Replacement policy) lze očekávat dosažení nejlepších výsledků? Uvažujte i pro datovou i pro instrukční cache. Ověřte simulací.

Pro rychlé získání výsledků můžete s výhodou využít verzi simulátoru určenou pro spouštění z příkazové řádky

qtmips_cli --i-cache lru,4,1,1 --d-cache lru,4,2,4,wb --burst-time 2 --dump-cache-stats --dump-range pole,60,sorted-data.dat selection-sort

Parametry –i-cache a –d-cache určují parametry vyrovnávacích pamětí stejně jako z grafické verze simulátoru. –burst-time nastavuje dobu sekvenčních přístupů na 2 cykly, –dump-cache-stats určuje vypsání statistiky po skončení programu (dosažení instrukce break). –dump-range pak umožňuje uložení určitého rozsahu paměti po slovech (adresa může být zadaná i přes návěští). Veškeré parametry aplikace jsou vypsané po zadání parametru –help.

• Bude cache dosahovat nejlepší Hit rate pro ty samé parametry (Size/Block size/Blocks in sets) jako v předchozím příkladu?
• Znáte i jiné strategie nahrazování než ty, které jsou k dispozici v simulátoru Mips? Najděte na internetu nebo v přednáškách.
• Pro jakou strategii zápisu (Write policy) lze očekávat, že datová cache nebude zbytečně zaťežovat sběrnici?
• Jak procesor pozná, která data mají přistát do instrukční cache a která do datové cache?

Doplňující otázky:

• Jak funguje překlad virtuální adresy na adresu fyzickou?
• K čemu slouží “page directory base register”?
• Jaké informace jsou uloženy v položce tabulky stránek?
• Pokud jednotka pro správu paměti 32-bit procesoru s 32-bit virtuální i fyzickou adresou používá pro mapování fyzické paměti do virtuálních adresních prostorů systém stránkování a velikost jedné stránky je 4 kB, kolik úrovní tabulek bude využito, pokud je požadované, aby se části stránkovací tabulky každé úrovně vešly právě do jedné stránky paměti a jak bude virtuální adresa rozdělena? Velikost jedne polozky strankovaci tabulky je 4B.

Napište program v C/C + +, který zjistí a na obrazovku vypíše parametry cache pamětí Vašeho procesoru (procesoru, na kterém program běží) a velikost stránky virtuální paměti. Využijte knihovní funkce sysconf, parametry _SC_PAGESIZE, _SC_LEVEL1_DCACHE_LINESIZE atd. Seznam parametrů, které knihovna GNU C library (GLIBC) nabízí lze najít v jejích zdrojových kódech bits/confname.h. Dokumentace k parametrům Constants for Sysconf.

Porovnejte výsledky s hodnotami, které získáte čtením virtuálních souborů s informacemi od jádra operačního systému například příkazy

cat /proc/cpuinfo
cat /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/index0/size
find /sys/devices/system/cpu/cpu0/cache/ -type f -maxdepth 2 -print -exec cat '{}' ';' 

příkazem lscpu případně sudo dmidecode na vlastním počítači, kde máte práva adminiztrátora.

Prepiste program selection sort z minuleho cviceni do jazyka C/C++. Zmerte hit rate instrukcni a datove cache prvni urovne, a dale hit rate cache posledni urovne – pokud program spustite na Vasem pocitaci (ucebna KN:2). Kolik pristupu do datove pameti se realizovalo? Kolik se vykonalo instrukci celkem? Zkuste menit uroven optimalizaci pri kompilaci.

Napoveda:Vyhodnotit jak program pracuje s cahce lze pomocí nástroje cachegrind.

 
valgrind --tool=cachegrind ./a.out

cg_annotate filename ~/main.cpp

Pozn.: Pri nedostatku casu muzete pouzit bubble sort z cviceni c.3.

Priklad vystupu po anotaci je zde: