Определение максимального числа локальных переменных, которое может полностью проецироваться на регистры общего назначения

Министерство Образования Российской Федерации

Новосибирский Государственный Технический Университет

Лабораторные работы

По дисциплине: Архитектура ЭВМ и ВС

Выполнил: студент ПМ-22

Савлюк В.И.

Проверила:

Маркова В.П.

Новосибирск

2003

Введение.

Программирование нижеследующих задач производилось с учетом архитектуры процессора и в частности кэш-памяти. Тестирование производилось на Intel P-Celeron 1100A(0.13мк).

• Процессор включает интегрированный на плату 256-килобайтный множественно-ассоциативный кэш второго уровня с поддержкой технологии ATC(Advanced Transfer Cache – архитектура, осуществляющая доступ к кэшу  на полной внутренней частоте процессора, с шириной шины 256 бит, и имеющая улучшенную технологию кэширования).
•  Кроме того, туда же интегрирован кэш первого уровня (16КВ для инструкций и 16КВ для данных).
• Процессор создан на базе компоновки PGA370, он имеет выделенную шину доступа к кэшу второго уровня, основанную на архитектуре двух независимых шин, для повышения пропускной способности и производительности.
• Память кэшируется до 64GB адресуемой области.
• Внутренняя частота процессора 1100 Mhz
• Частота шины 100Mhz

Замеры производились после компиляции программ компилятором ‘gcc’ с ключом –О3 (полная оптимизация по времени) под управлением ОС Linux Redhat 7.3 в чистом консольном режиме с наивысшим приоритетом.

Задача 1

            Задача. Определить максимальное число локальных переменных, которое может полностью проецироваться на регистры общего назначения.

Задание. Построить тестовую программу для решения поставленной задачи. По результатам работы программы построить таблицу или график в осях X-число локальных переменных, Y-время доступа к ним. На основании анализа таблицы или графика сделать выводы о числе доступных для подпрограмм тестовой программы регистров. Сверить полученный результат с приведенным в документации при ее наличии.

Решение.

Для решения поставленной задачи напишем программу, которая будет последовательно обращаться к некоторому количеству переменных. Если все эти переменные смогут занять свободные регистры процессора, то время доступа к ним будет минимальным, иначе время доступа возрастет. Каждый раз увеличивая на 1 число переменных, найдем такое n, начиная с которого время доступа к переменным увеличиться с некоторым скачком. Так как время доступа к одной переменной ничтожно мало и не поддается замерам программными средствами, будем сравнивать время многократного доступа к переменным. Кроме того, учтем, что процессор технологии Intel Celeron A позволяет работать с группой регистров, как с массивом.

#include <stdio.h>

#include <sys/timeb.h>

 

void main() {

FILE * out = fopen("local.csv","wt");

int * a = new int[50];

      timeb start, end;

      int i,j,n;

      long int measured =0;

      for(n=1;n<50;n++) {

            for(i=0;i<n;i++) a[i]=0;

            ftime(&start);

            for(i=0;i<10000000;i++) {

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

                  for(j=0;j<n;j++) a[j]++;

            }

            ftime(&end);

            measured=(end.time*1000+end.millitm)-(start.time*1000+ start.millitm);

            fprintf(out,"%i;%i\n",n,measured);

            printf("Measured: %i - %i\n",n,measured);

      }

      fclose(out);

 

 

 

Т.е. наша программа открывает файл local.csv и сливает в него результаты замеров времени в формате “a;b”, где а - число локальных переменных, b-время затраченное на 100 млн. обращений к ним в миллисекундах. Программа сохраняет файл  в формате csv с соответствующим форматом данных для более удобной обработки данных в пакете для работы с таблицами и графиками (в данном случае MSExcel). Анализируя результаты работы программы можно построить такой график.

График1. Время доступа к локальным переменным.

График2. Среднее время доступа к одной переменной.

Итак, мы явно увидели, что в процессе перехода от 5 переменных к 6 наблюдается значительный скачок времени доступа. Следовательно, программе реально доступно 5 регистров процессора.

Задача 2

Задача. Определить максимальный размер массива, целиком умещающегося в кэше, в оперативной памяти.

Задание. Построить тестовую программу для решения поставленной задачи. По результатам работы программы построить графики в осях X-размер блока памяти, Y-время доступа. На основании анализа графиков сделать выводы о размере доступных для тестовой программы размерах кэша и оперативной памяти.

Решение. Тестирование заключается в следующем. Мы выделяем определенный блок памяти размера N и замеряем время доступа к нему. В данном случае мы определяем массив некоторого размера и осуществляем доступ ко всем его переменным. В случае, если массив целиком умещается в кэш-память, время доступа к нему будет минимально, как только он перестает там умещаться, наблюдается резкий скачок во времени доступа.

#include <stdio.h>

#include <sys/timeb.h>

#include <stdlib.h>

 

void main() {

      FILE * out = fopen("mem.csv","wt");

timeb start, end;

int S = 1024*1024;

      void * ptr = malloc(S);

      unsigned char * p = (unsigned char*)ptr;

      int i,times;

      long int measured=0;

      for(int size = 0;size<=S;size+=512) {

            ftime(&start);

            for(i = 0; i < size; i++) {

                  p[i] = 0;

            }

            for(times = 0;times<1000;times++) {