計算機組成原理之Cache模擬器的實現(xiàn)

1、實驗一 Cache模擬器的實現(xiàn)一.實驗目的(1)加深對Cache的基本概念、基本組織結構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提高Cache性能的好處。(4)理解LRU與隨機法的基本思想以及它們對Cache性能的影響。二、實驗內容和步驟1、啟動Cachesim2.根據(jù)課本上的相關知識，進一步熟悉Cache的概念和工作機制。Cache概念：高速緩沖存Cache工作機制：大容量主存一般采用DRAM，相對SRAM速度慢，而SRAM速度快，但價格高。程序和數(shù)據(jù)具有局限性，即在一個較短的時間內，程序

2、或數(shù)據(jù)往往集中在很小的存儲器地址范圍內。因此，在主存和CPU之間可設置一個速度很快而容量相對較小的存儲器，在其中存放CPU當前正在使用以及一個較短的時間內將要使用的程序和數(shù)據(jù)，這樣，可大大加快CPU訪問存儲器的速度，提高機器的運行效率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)映射先進先出算法 寫回法（1）Cache容量：啟動CacheSim，提示請輸入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代表隨機法（Random）。此處選擇先進先出。（5）寫策略： 如下

4、圖所示，提示輸入Cache的讀寫操作，1代表寫直達法（存直達法）即寫操作時數(shù)據(jù)既寫入Cache又寫入主存、2代表寫回法（拷回法）即寫操作時只把數(shù)據(jù)寫入Cache而不寫入主存，但當Cache數(shù)據(jù)被替換出去時才寫回主存。 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，程序運行結果如下： 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系？（1）當Cache塊容量為8B、Cache容量為8KB時，平均命中率為1.02017%.（2）當Cache塊容量為8B、Cache容量為16KB時，平均命中率為1.02334%.（3）當Cache塊容量為

6、8B、Cache容量為32KB時，平均命中率為1.03695%.（4）當Cache塊容量為8B、Cache容量為64KB時，平均命中率為1.0375%.（5）當Cache塊容量為8B、Cache容量為128KB時，平均命中率為1.03791%.當Cache塊容量為8B時，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Cache塊容量一定時，Cache容量越大，其cache的命中率越高。 2、Cache塊大小對不命中率有何影響？（

7、1）當Cache塊容量為8KB、Cache容量為8B時，平均命中率為1.02017%.（2） 當Cache塊容量為16KB、Cache容量為8B時，平均命中率為50.4872%.（3）當Cache塊容量為32KB、Cache容量為8B時，平均命中率為75.2232%.（4）當Cache塊容量為64KB、Cache容量為8B時，平均命中率為87.5903%.（5）當Cache塊容量為128KB、Cache容量為8B時，平均命中率為93.768%.當Cache容量為8kB時，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Cache容量一定時，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)度大小對不命中率有何影響？（1）當相聯(lián)度大小保持一致，均為二路組相聯(lián)映射時替換策略為先進先出算法時：當相聯(lián)度為二路組相聯(lián)映射，替換策略為先進先出算法時，此時cache平均命中率為0.0912598%。替換策略為近期最少使用算法時：當相聯(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，此時cache平均命中率為66.6438%。（2）當替換算法保持一致，均為先進先出算法時：相聯(lián)度大小為二路：當替換策略

9、為先進先出算法時，相聯(lián)度大小為二路組相聯(lián)映射時，此時cache平均命中率為0.0912598%。相聯(lián)度大小為四路：當替換策略為先進先出算法時，相聯(lián)度大小為四路組相聯(lián)映射時，此時cache平均命中率為0.0904283%。當替換策略為近期最少使用時，相聯(lián)度大小為四路組相聯(lián)映射時，此時cache平均命中率為0.0904283%由上述數(shù)據(jù)可知，當保持相聯(lián)度大小一致時，替換策略為近期最少使用算法的命中率高于先進先出算法的命中率。當保持替換策略一致時，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.實驗結果分析根據(jù)實驗內容及上述數(shù)據(jù)結果可知： 1. Cache容量不同時它的命中率也會隨之改變；

10、 當Cache塊容量一定時，Cache容量越大，其CPU的平均命中率越高2. Cache塊大小不同時對命中率也會有影響。 Cache塊容量越大，其不命中率越低3. 替換算法和相聯(lián)度對命中率也有影響.由實驗數(shù)據(jù)可知，當保持相聯(lián)度大小一致時，替換策略為近期最少使用算法的命中率高于先進先出算法的命中率。當保持替換策略一致時，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。其中替換算法對命中率的影響比較大，而相聯(lián)度大小對命中率的影響小一些，在實際工作中為了提高命中率我們應該選擇合適的算法。具體實驗數(shù)據(jù)如下表所示：（1）當輸入cache容量為8b，cache塊容量為32kb時出現(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Cache塊容量為8B時，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Cache容量為8kB時，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）當控制相聯(lián)度為2或4時，改變替換策略cache的命中率如下圖：相聯(lián)度替換策略 先進先出近期最少使用20.0912598%66.6438%40.0904283%0.0904283%四.實驗心得1.通過此次的實驗我發(fā)現(xiàn)當輸入的cache容量一定時，改變cache塊容量的大小則cache的命中率會改變，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cache塊容量一定時，cache命中率因為cache容量變大而變大。3.通過這次的試驗我發(fā)現(xiàn)書