計(jì)算機(jī)組成原理之Cache模擬器的實(shí)現(xiàn)

1、實(shí)驗(yàn)一 Cache模擬器的實(shí)現(xiàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)加深對(duì)Cache的基本概念、基本組織結(jié)構(gòu)以及基本工作原理的理解。(2)掌握Cache容量、相聯(lián)度、塊大小對(duì)Cache性能的影響。(3)掌握降低Cache不命中率的各種方法以及這些方法對(duì)提高Cache性能的好處。(4)理解LRU與隨機(jī)法的基本思想以及它們對(duì)Cache性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、啟動(dòng)Cachesim2.根據(jù)課本上的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步熟悉Cache的概念和工作機(jī)制。Cache概念：高速緩沖存Cache工作機(jī)制：大容量主存一般采用DRAM，相對(duì)SRAM速度慢，而SRAM速度快，但價(jià)格高。程序和數(shù)據(jù)具有局限性，即在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)，程序

2、或數(shù)據(jù)往往集中在很小的存儲(chǔ)器地址范圍內(nèi)。因此，在主存和CPU之間可設(shè)置一個(gè)速度很快而容量相對(duì)較小的存儲(chǔ)器，在其中存放CPU當(dāng)前正在使用以及一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)將要使用的程序和數(shù)據(jù)，這樣，可大大加快CPU訪問存儲(chǔ)器的速度，提高機(jī)器的運(yùn)行效率3、依次輸入以下參數(shù)：Cache容量、塊容量、映射方式、替換策略和寫策略。Cache容量 塊容量 映射方式 替換策略 寫策略 8 32全相聯(lián)映射先進(jìn)先出算法 寫回法（1）Cache容量：?jiǎn)?dòng)CacheSim，提示請(qǐng)輸入Cache容量，例如1、2、4、8.。此處選擇輸入4。（2）塊容量： 如下圖所示，提示輸入塊容量，例如1、2、4、8.。此處選擇輸入16。（3）映射

3、方式： 如下圖所示，提示輸入主存儲(chǔ)器和高速緩存之間的assoiativity方法（主存地址到Cache地址之間的映射方式），1代表直接映射（固定的映射關(guān)系）、2代表組相聯(lián)映射（直接映射與全相聯(lián)映射的折中）、3代表全相聯(lián)映射（靈活性大的映射關(guān)系）。此處選擇全相聯(lián)映射。（4）替換策略： 如下圖所示，提示輸入替換策略，1代表先進(jìn)先出（First-In-First-Out,FIFO）算法、2代表近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法、3代表最不經(jīng)常使用（Least Frequently Used，LFU）、4代表隨機(jī)法（Random）。此處選擇先進(jìn)先出。（5）寫策略： 如下

4、圖所示，提示輸入Cache的讀寫操作，1代表寫直達(dá)法（存直達(dá)法）即寫操作時(shí)數(shù)據(jù)既寫入Cache又寫入主存、2代表寫回法（拷回法）即寫操作時(shí)只把數(shù)據(jù)寫入Cache而不寫入主存，但當(dāng)Cache數(shù)據(jù)被替換出去時(shí)才寫回主存。 此處選寫回法 4、讀取cache-traces.zip中的trace文件。 如下圖所示，提示輸入要測(cè)試的路徑及名稱，此處輸入Cache-trace.zip的路徑，以及需要讀取的trace文件名，此處選擇讀取mcf.trace。5、運(yùn)行程序，觀察cache的訪問次數(shù)、讀/寫次數(shù)、平均命中率、讀/寫命中率。 如下圖所示，讀取mcf.trace文件，程序運(yùn)行結(jié)果如下： 訪問次數(shù)讀出次數(shù)

5、寫入次數(shù)平均命中率讀出命中率寫入命中率 727230 5972 721258 74.8615% 60.6999% 74.9787%（1）高速緩存訪問次數(shù)： 727230（2） 高速緩存次數(shù)：5972（3）cache存儲(chǔ)次數(shù)：721258（4）平均緩存命中率：74.8615%（5）高速緩存命中率：60.6999%（6）緩存命中率：74.9787%思考：1、Cache的命中率與其容量大小有何關(guān)系？（1）當(dāng)Cache塊容量為8B、Cache容量為8KB時(shí)，平均命中率為1.02017%.（2）當(dāng)Cache塊容量為8B、Cache容量為16KB時(shí)，平均命中率為1.02334%.（3）當(dāng)Cache塊容量為

6、8B、Cache容量為32KB時(shí)，平均命中率為1.03695%.（4）當(dāng)Cache塊容量為8B、Cache容量為64KB時(shí)，平均命中率為1.0375%.（5）當(dāng)Cache塊容量為8B、Cache容量為128KB時(shí)，平均命中率為1.03791%.當(dāng)Cache塊容量為8B時(shí)，不同Cache容量下的命中率如下圖所示：Cache容量 8 16 32 64 128平均命中率1.02017% 1.02334% 1.03695% 1.0375% 1.03791% 由上述圖中數(shù)據(jù)及表格數(shù)據(jù)可知，當(dāng)Cache塊容量一定時(shí)，Cache容量越大，其cache的命中率越高。 2、Cache塊大小對(duì)不命中率有何影響？（

7、1）當(dāng)Cache塊容量為8KB、Cache容量為8B時(shí)，平均命中率為1.02017%.（2） 當(dāng)Cache塊容量為16KB、Cache容量為8B時(shí)，平均命中率為50.4872%.（3）當(dāng)Cache塊容量為32KB、Cache容量為8B時(shí)，平均命中率為75.2232%.（4）當(dāng)Cache塊容量為64KB、Cache容量為8B時(shí)，平均命中率為87.5903%.（5）當(dāng)Cache塊容量為128KB、Cache容量為8B時(shí)，平均命中率為93.768%.當(dāng)Cache容量為8kB時(shí)，不同Cache容量下的命中率如下圖所示：Cache塊容量 8 16 32 64 128平均命中率1.02017% 50.48

8、72%75.2232% 87.5903% 93.768%由上述圖中數(shù)據(jù)及表格數(shù)據(jù)可知，當(dāng)Cache容量一定時(shí)，Cache塊容量越大，其cache的命中率越高。則其不命中率越低。 3、替換算法和相聯(lián)度大小對(duì)不命中率有何影響？（1）當(dāng)相聯(lián)度大小保持一致，均為二路組相聯(lián)映射時(shí)替換策略為先進(jìn)先出算法時(shí)：當(dāng)相聯(lián)度為二路組相聯(lián)映射，替換策略為先進(jìn)先出算法時(shí)，此時(shí)cache平均命中率為0.0912598%。替換策略為近期最少使用算法時(shí)：當(dāng)相聯(lián)度為二路組相聯(lián)映射，替換策略為近期最少使用算法時(shí)，此時(shí)cache平均命中率為66.6438%。（2）當(dāng)替換算法保持一致，均為先進(jìn)先出算法時(shí)：相聯(lián)度大小為二路：當(dāng)替換策略

9、為先進(jìn)先出算法時(shí)，相聯(lián)度大小為二路組相聯(lián)映射時(shí)，此時(shí)cache平均命中率為0.0912598%。相聯(lián)度大小為四路：當(dāng)替換策略為先進(jìn)先出算法時(shí)，相聯(lián)度大小為四路組相聯(lián)映射時(shí)，此時(shí)cache平均命中率為0.0904283%。當(dāng)替換策略為近期最少使用時(shí)，相聯(lián)度大小為四路組相聯(lián)映射時(shí)，此時(shí)cache平均命中率為0.0904283%由上述數(shù)據(jù)可知，當(dāng)保持相聯(lián)度大小一致時(shí)，替換策略為近期最少使用算法的命中率高于先進(jìn)先出算法的命中率。當(dāng)保持替換策略一致時(shí)，相聯(lián)度大小為二路組相聯(lián)的命中率高于四路組相聯(lián)的命中率。三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知： 1. Cache容量不同時(shí)它的命中率也會(huì)隨之改變；

10、 當(dāng)Cache塊容量一定時(shí)，Cache容量越大，其CPU的平均命中率越高2. Cache塊大小不同時(shí)對(duì)命中率也會(huì)有影響。 Cache塊容量越大，其不命中率越低3. 替換算法和相聯(lián)度對(duì)命中率也有影響.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)保持相聯(lián)度大小一致時(shí)，替換策略為近期最少使用算法的命中率高于先進(jìn)先出算法的命中率。當(dāng)保持替換策略一致時(shí)，相聯(lián)度大小為二路組相聯(lián)的命中率高于四路組相聯(lián)的命中率。其中替換算法對(duì)命中率的影響比較大，而相聯(lián)度大小對(duì)命中率的影響小一些，在實(shí)際工作中為了提高命中率我們應(yīng)該選擇合適的算法。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：（1）當(dāng)輸入cache容量為8b，cache塊容量為32kb時(shí)出現(xiàn)以下數(shù)據(jù)： 訪問次

11、數(shù)讀出次數(shù)寫入次數(shù)平均命中率讀出命中率寫入命中率 727230 5972 721258 74.8615% 60.6999% 74.9787%（2）當(dāng)Cache塊容量為8B時(shí)，不同Cache容量下的命中率如下圖所示：Cache容量 8 16 32 64 128平均命中率1.02017% 1.02334% 1.03695% 1.0375% 1.03791%（3）當(dāng)Cache容量為8kB時(shí)，不同Cache容量下的命中率如下圖所示：Cache塊容量 8 16 32 64 128平均命中率1.02017% 50.4872%75.2232% 87.5903% 93.768%（4）當(dāng)控制相聯(lián)度為2或4時(shí)，改變替換策略cache的命中率如下圖：相聯(lián)度替換策略 先進(jìn)先出近期最少使用20.0912598%66.6438%40.0904283%0.0904283%四.實(shí)驗(yàn)心得1.通過此次的實(shí)驗(yàn)我發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入的cache容量一定時(shí)，改變cache塊容量的大小則cache的命中率會(huì)改變，規(guī)律是cache塊容量的值越大，則cache命中率越高，反之亦然。2.當(dāng)cache塊容量一定時(shí)，cache命中率因?yàn)閏ache容量變大而變大。3.通過這次的試驗(yàn)我發(fā)現(xiàn)書