计算机组成原理之Cache模拟器的实现

实验一Cache模拟器得实现一、实验目得(1)加深对Cache得基本概念、基本组织结构以及基本工作原理得理解。(2)掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能得影响。(3)掌握降低Cache不命中率得各种方法以及这些方法对提高Cache性能得好处。(4)理解LRU与随机法得基本思想以及它们对Cache性能得影响.二、实验内容与步骤1、启动Cachesim2、根据课本上得相关知识，进一步熟悉Cache得概念与工作机制。Cache概念：高速缓冲存Cache工作机制:大容量主存一般采用DRAM相对SRAMS度慢，而SRAM速度快，但价格高。程序与数据具有局限性，即在一个较短得时间内，程序或数据往往集中在很小得存储器地址范围内。因此，在主存与CPU之间可设置一个速度很快而容量相对较小得存储器，在其中存放CPU当前正在使用以及一个较短得时间内将要使用得程序与数据，这样，可大大加快CPU访问存储器得速度，提高机器得运行效率3、依次输入以下参数：Cache容量、块容量、映射方式、替换策略与写策略.Cache容块容量映射方式替换策略写策略832全相联映射先进先出算法写回法(1)Cadie容量：启动CacheSim,提示请输入Cache容量，例如1、2、4、8、。止匕处选择输入4。(2)块容量：如下图所示，提示输入块容量，例如1、2、4、8、。此处选择输入16。(3)映射方式：如下图所示，提示输入主存储器与高速缓存之间得assoiativity方法（主存地址到Cache地址之间得映射方式），1代表直接映射（固定得映射关系卜2代表组相联映射值接映射与全相联映射得折中）、3代表全相联映射（灵活性大得映射关系）。此处选择全相联映射。（4）替换策略：如下图所示，提示输入替换策略,1代表先进先出（First-In-First一Out,FIFO算法、2代表近期最少使用（LeastRecentlyUsed,LRU）算法、3代表最不经常使用（LeastFrequentlyUsed,LFU卜4代表随机法（Random）。此处选择先进先出.心口驶（2修119口1口或七叩计算机组成煽理窠验指导书仃尚01|11。广11-口directivejnappd；input1input2full.&sociatiiiinput33Pla4inputthrplec4iRntpolicy；FiFO(FirstInFir&tQut：input1LRU(LtRsontlyUfrdj；input2LHJ(LatFrcquonklyU*d:input3Rando*：input41Pleaseinputwrit#policy：Dritethrough：input1Dritback：input2短狗拼音输入法全：（5）写策略:如下图所示，提示输入Cache得读写操作，1代表写直达法（存直达法）即写操作时数据既写入Cache又写入主存、2代表写回法（拷回法）即写操作时只把数据写入Cache而不写入主存，但当Cache数据被替换出去时才写回主存。此处选写回法4、读取eachetrace&zip中得trace文件。如下图所示，提示输入要测试得路径及名称，此处输入Cachetrace、zip得路径，以及需要读取得trace文件名，此处选择读取mcf、trace。5、运行程序，观察cache得访问次数、读/写次数、平均命中率、读/写命中率如下图所示，读取mcf、trace文件，程序运行结果如下:C斌1。电ktop计算机组成原理安际指Cach*traces.zipmeftrae#CacheSizeiSKBCBCho1in*Siza：32BUayofAssociativity；full.aesociatiupklagof口aplacaiignt：FIFOMayofWrite；urite.backNumberofcacheaccess：727236NlLitnbsrofcacload：5972Nlumbtrcf-cacheatore：71258Averagecachhitrater74.815XCachliltratsfor18的；6日一6裳乾Cach*hitrattfr9tor*5：71,9787%CantinuB/Exlt(C/IE)血狗拼音输入法全:访问次数读出次数写入次数平均命中率读出命中率写入命中率727230597272125874、8615%60、6999%74、9787%(1)高速缓存访问次数：727230(2)高速缓存次数：5972(3)cache存储次数：721258(4)平均缓存命中率：74、8615%(5)高速缓存命中率：60、6999%Cachhitretforloads：G0.6999Z(6)缓存命中率：74、9787%思考:1、Cache得命中率与其容量大小有何关系？Cach?Size；8KBCachtlirwSix*：89WacjofAsaciatiuitij：direct_vidpp&dNayofRpl*cannt:NONEWayofyrite：uritthroughMuNibr&fcachaee9i72?236Numberofcscheload：59T2Nuikbrofeach0吞to2m258Averagecachehitrate：1,0ZQ17XCachhitratsforloads91Cachehitrate干。rstQG：32Hs由6量Continu&/EKLt(C/E)(2)当Cache块容量为8B、Cache容量为16KB时，平均命中率为1、02334%、当Cache块容量为8B、Cache容量为32KB时，平均命中率为1、03695%、(4)当C a che块容量为8 B、Ca che容量为64 KB时，平均命中率为1、0375%、(5)当Cache块容量为8B、Cached量为128KB时，平均命中率为1、03791%、当Cache块容量为8B时，不同Cache容量下得命中率如下图所示Cache容量8163264128平均命中率1、02017%1、02334%1、03695%1、0375%1、03791%由上述图中数据及表格数据可知，当Cache块容量一定时，Cache容量越大,其cache得命中率越高2、Cache块大小对不命中率有何影响?(1)当Cache块容量为8KB、Cache容量为8B时，平均命中率为1、02017%、(2)当Cache块容量为16KB、Cache容量为8B时,平均命中率为50、4872%、(3)当Cache块容量为32KRCache容量为8B时，平均命中率为75、2232%、(4)当eache块容量为64KRCachc容量为8B时,平均命中率为87、5903%、(5)当Cache块容量为128KB、Cache容量为8B时,平均命中率为93、768%、当Cache容量为8kB时，不同Cache容量下得命中率如下图所示Cache块容量8163264128平均命中率1、02017%50、4872%75、2232%87、5903%93、768%由上述图中数据及表格数据可知，当Cache容量一定时，Cache块容量越大,其cache得命中率越高。则其不命中率越低。3、替换算法与相联度大小对不命中率有何影响？(1)当相联度大小保持一致，均为二路组相联映射时hetilae91MEBnnhn11nof与唱）0i94t最y最tw：事中4年l吞石口1a,巾3Ja.poFFteplacG-ne-in1t；PlIRO/1a*ofWilles：wi%t_thtoiLi|fhm&EhkoFn-T，Kc&仁c/Ri9HflIH-4-4umheioFcacheLoadS32O441*umhdpuFci4etoa*o-cnehnihi1i产fit”：C.691N芯号禽就aclieJidLta*ateFoilo：6.101735;Jacliehitxd七uFors/tores;H.当相联度为二路组相联映射，替换策略为先进先出算法时，此时cache平均命中率为0、0912598%。替换策略为近期最少使用算法时：l*iLoducAvaimaCLMcrrio-tfiudlolTku-wX-n.tXv11vXkt%w-PiiXrtinfeuiftur-aniXughhe1宣t_Lu贴_tn/ybme-t;2广1#曰丐rInrmItt?h”丁*1门工fiEHrit:pnTArvSPIPOFlj-viLInPIretOutALigiUiL主IriMlll：Ijipul芷Lal7LIIIXFIipUSise=llKHGacliolineSizeIB楷a9of白号卷。cvjityieet：_a&c:oclatiue“ayofHrpl且心。而。n七二LRUUaynfZ!iJiHlte_ithwmtgliHhiwi1用4nfcnlm481A44*i,rnhnrmh畤Iriflill；32W441Htumiberofcacheor：16B603niuera.ccyclicJiitratestfc.14yHxCaclwh七iL*atzoFci_Lo现d8:Bld.CmdhitiOLtofdi*otoroD当相联度为二路组相联映射，替换策略为近期最少使用算法时，此时cache平均命中率为66、6438%.(2)当替换算法保持一致，均为先进先出算法时：相联度大小为二路：1hpuit;thohow而1Xnof:Lfioach匕妇七CfmrhxhejiIh；i.2备4.R*16.32642xifihP!好习片方inpiit1：lierplacFmeol:policy=FlPtXFiirsl;InFirstCkitin)pu1LRUCLeastRecent:1Used：Input2LPU：CacheJhitpaefor后七口即e：01当替换策略为先进先出算法时，相联度大小为二路组相联映射时，此时cache平均命中率为0、0912598%.相联度大小为四路：|-*jtcititVi*ktijw*hrt-*ji1ipe*sin4*i-uRi-*静t;n;pvH.ttrliuIc-pX-eiericnfcpuJ.ic;1/-FlFOCFli*fl：itrnOuitinput：1LMLI*Lm.h&H科t痔1L1.*I.岫txl*J_H_yh修IdFUCLastF*eifUi?n11jvIJseirbpiut3Rc”dfii二十it口lat*1Pl代mn#1npiitpnlicv；WrltufrirouyJ*=inr-ut1Wii-teb6clct2当替换策略为先进先出算法时，相联度大小为四路组相联映射时，此时cache平均命中率为0、0904283%。Input七heHommanui11in。仁h：c*QLQKflkmplL9；H即N.”/金pF曰4MN.64.餐卞后)户100，np3七让60l。p工0rnoc上尸二FrFoCFir-atIm-，尸。七out)：input1ILRtUfI-g已事上Rco1:3.yU&Qd);Jtcpu生2-尸UL。勺七FLoquen比工媪Llqoci)w1npiuit3nanciotmj1npu1:M3Cacho5ia门KBCachlinSiz；19lilaij口干Aesociatiuitij：s&t_dssociatiuciilayofReplacmtlLFUbdaijofUrite：write_thr&uhNumberofcttuha占二Wgl047Numberofeach4load：3201Numberofcache&tcre11GCGQ3cachfrhitrat：0.69Q1I2833!；CachehitratsforLoads：6.39429Cachahitrat4forstor；G.QT8H543XCanttnue/ExitfC/El当替换策略为近期最少使用时，相联度大小为四路组相联映射时，此时cache平均命中率为0、0904283%由上述数据可知，当保持相联度大小一致时，替换策略为近期最少使用算法得命中率高于先进先出算法得命中率。当保持替换策略一致时，相联度大小为二路组相联得命中率高于四路组相联得命中率。三、实验结果分析根据实验内容及上述数据结果可知：I.Cache容量不同时它得命中率也会随之改变；当Cache块容量一定时，Cache容量越大，其CPU得平均命中率越高2 .Cache块大小不同时对命中率也会有影响Cach e块容量越大，其不命中率越低3 .替换算法与相联度对命中率也有影响、由实验数据可知，当保持相联度大小一致时，替换策略为近期最少使用算法得命中率高于先进先出算法得命中率。当保持替换策略一致时，相联度大小为二路组相联得命中率高于四路组相联得命中率。其中替换算法对命中率得影响比较大而相联度大小对命中率得影响小一些，在实际工作中为了提高命中率我们应该选择合适得算法。具体实验数据如下表所示：(1)当输入cache容量为8b,cache块容量为32kb时出现以下数据：访问次数读出次数写入次数平均命中率读出命中率写入命中率727230597272125874、8615%60、6999%74、9787%(2)当Cache块容量为8B时，不同Cache容量下得命中率如下图所示Cache容量8163264128平均命中率1、02017%1、02334%1、03695%1、0375%1、03791%(3)当Cache容量为8kB时，不同Cache容量下得命中率如下图所示Cache块容量8163264128平均命中率1、02017%50、4872%75、2232%87、5903%93、768%(4)当控制相联度为2或4时，改变替换策略cache得命中率如下图相联度替换策略先进先出近期最少使用20、0912598%66、6438%40、0904283%0、0904283%四、实验心得1、通过此次得实验我发现当输入得cachc容量一定时，改变cache块容量得大小则cache得命中率会改变，规律就是cache块容量得值越大，则cache命中率越高，反之亦然。2、当cache块容量一定时，cache命中率因为cachc容量变大而变大。3、通过这次得试验我发现书本上得很多理论都就是要自己做，这样才会对实验结果及得更加牢固。以后要好好学习多做实验争取发现书本上没有写得东西这样才可以将这门课学好。4、准备越充分,实验越顺利.古人云,磨刀不误砍柴工。前期得知识储备、文献储备、材料准备、方法准备可以避免手忙脚乱,充分得预实验使您充满信心。一步一个脚印，就不必“从头再来”.最不能容忍得就是在开始得几步偷懒，造成后面总有一些无法排除得障碍。