计算机体系结构cache模拟器实验报告

1、计算机体系结构cache模拟器实验报告 崔雪莹Cache实现分析 计算机体系结构 Cache模拟器实验 实验报告 姓名 崔雪莹 学号 12281166 班级计科1202班 老师 董岚 2015年 06月07日 1 崔雪莹Cache实现分析 一、 阅读分析附件模拟器代码 . 3 1、关键参数 . 3 2、关键算法 . 4 二、课后习题 . 6 1、习题内容 . 6 2、题目分析 . 6 3、计算及结果 . 7 4、模拟器上实验结果检验 . 8 三、 整体分析 . 11 1、三种映射方式对Cache效率的的影响 . 11 2、block块大小与Cache容量对Cache效率的影响 . 12 3、C

2、ache容量与相连度对Cache效率的影响 . 13 4、三种失效类型影响因素 . 14 四、 实验思考和感受 . 16 1、关于模拟器的思考 . 16 2、关于整个实验的思考 . 17 2 崔雪莹Cache实现分析 一、 阅读分析附件模拟器代码 1、关键参数 （1） 用户可见参数：（用户通过命令行输入参数） （2）程序内部主要参数：（代码内部重要参数） 3 崔雪莹Cache实现分析 2、关键算法 注：这里不粘贴代码，只是进行简单的代码算法说明 （1） 块地址表示： 注：图是我按照自己的想法自己画的，可能有些地方并不准确，望老师指正。图中以一个例子来解释cache模拟器中block和数据地址的

3、关系，以及和组地址和标志位的关系。 4 崔雪莹Cache实现分析 （2） Index与tag： 由上面计算： index = blockaddress % NOofset index = 16 % 8 = 2 tag=blockaddress/Noofset tag = 16/8 = 2 以上例，字地址16为例，写成二进制为0001 0010 B，其中组数为8，又因为23=8，所以字地址取后3位为：index = 010 B = 2 ，取前29位为：tag = 00010 B = 2 。所以，算法与理论是一致的。 （3） Valid： 有效位。当通过上述方式寻址找到了数据存放的数据块，接下来判

4、断有效位： 有效位为1，说明数据是有效的，可以从block提取数据； 有效位为0，说明块里的数据是无效的，所以不能从block提取数据，出现miss，此时判断miss类型，同时需要访问内存或下一级存储，将数据放到cache里。 （4） 失效类型及判断方法： 判断失效类型，函数misstype（int ba ，int nb ，int l）。 Compulsory miss（强制性失效，冷启动）：当第一次访问某一个块的时候，数据是肯定不在块中的，此时出现强制性失效，或者说是冷启动失效。 Capacity miss（容量失效）：所需的数据不能全部调入cache中，块被替换后又被重新访问，意思就是当所

5、有的块都被占满了，这样又有数据希望被调入缓存时，就出现了容量失效。 Conflict miss（冲突失效）：在组相联或直接映像中，数据想要替换进某一组中，组内的块都被占满了，但是别的组的块有空余，数据只能替换这一组，尽管别的组有空余也不能替换。这样就出现了冲突失效。 （5） LRU算法实现替换： LRU替换算法是采用最近最久未使用的块，其中Lru数组存放最近 多少次未被使用，因为是采用循环访问，当循环访问到这一组时，把这 5 崔雪莹Cache实现分析 组所有的块的Lru值都加1，如果成功访问到这一块，数据能从其中取出来，就把这一块的Lru值置0，退出循环。 （6） 直接映射、组相联映射、全相联

6、映射： 直接映射：是特殊的组相联映射，就是相联度为1的组相联映射。所以采取和组相联一样的程序和算法，当识别该组第一块失效时，直接进行替换，因为有且只有一块。 组相联映射：当识别该组某块失效时，如果块都被占满，要根据Lru值的大小，判断哪一块被替换掉。 全相联映射：从上到下cache块存数据，则从上到下循环即可，遇到失效时，要根据Lru值的大小，判断哪一块被替换掉。 二、 课后习题 1、 习题内容 在CacheSimulator模拟器上模拟如下程序的运行过程： int i,j,c stride,array256 for(i=0;i<10000;i+) for(j=0;j<256;j=

7、j+stride) c = arrayj+5; 假设Cache总大小是256个字节，且块大小为16字节（4个字）。 同时假设内存当中只有这一个程序在运行，而且整形数字的长度为一个字长（字长为32位），在直接相连映射下，stribe分别等于132、131时程序的运行结果，并分析原因。而当采用两路组相连时又会有什么结果并分析原因。 2、 题目分析 当stribe = 132/131 时，程序相当于循环访问内存偏移地址为0和地址132/131的内容，循环10000次，也就是访问了2000次存储。 结合cache机制，cache大小为256个字节，块大小为16个字节，所以块的个数为256/16 = 1

8、6个。若为2路组相连，则有16/2 = 8组。 当第一次访问块时，一定会发生强制性失效，计一次miss。 6 崔雪莹Cache实现分析 3、 计算及结果 1） 直接映像时： ? stride=132 array0的块地址为0，映射到cache的块号为0： 0 mod 16 = 0 array132的块地址为132/4 = 33，映射到cache的块号为1： 33 mod 16 = 1 因为第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后因为调入cache，不会发生失效。则失效次数为2，则失效率为： 2/20000 = 0.01% 命中次数为19998次，命中率为： 19998/20000

9、 = 99.99% = 1（近似） 失效类型为强制性失效，次数为2。 ? stride=131 array0的块地址为0，映射到cache的块号为0： 0 modulo 16 = 0 array131的块地址为131/4 = 32，映射到cache的块号为0： 32 modulo 16 = 0 因为第一次访问cache，0一定会发生强制性失效，之后cache里块号为0的块不断地被替换写入替换写入，此时发生冲突失效。则失效次数为20000，则失效率为： 20000/20000 = 1 = 100% 命中率为0。失效类型为强制性失效次数1，冲突失效次数为19999。 2） 2路组相联： ? str

10、ide=132 array0的块地址为0，映像到cache的组号为0： 0 modulo 8 = 0 array132的块地址为132/4 = 33，映像到cache组号为1： 33 modulo 8 = 1 7 崔雪莹Cache实现分析 因为第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后因为调入cache，不会发生失效。则失效次数为2，则失效率为： 2/20000 = 0.01% 命中次数为19998次，命中率为： 19998/20000 = 99.99% = 1（近似） 失效类型为强制性失效，次数为2。 ? stride=131 array0的块地址为0，映像到cache组号为：

11、0 modulo 8 = 0 array131的块地址为131/4 = 32，映像到cache组号为： 32 modulo 8 = 0 因为第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后因为是2路组相联，array0与array131都在0组，不会发生失效，则失效次数为2，失效率为： 2/20000 = 0.01% 命中次数为19998次，命中率为： 19998/20000 = 99.99% = 1（近似） 失效类型为强制性失效，次数为2。 4、 模拟器上实验结果检验 注：因为例题的循环次数为10000，为了便于实验，我将循环次数设置为100，结果参照100的计算，原理是一致的。因为实

12、际131/132都是字地址，而project.txt设置的是字节地址，所以将project.txt里值设置为0 和132*4/131*4循环100次，设置cache大小为256，block大小为4，可以分别看到直接映射和2路组相连映射的结果为： 崔雪莹Cache实现分析 可以看到实验结果与计算是一致的（因为循环次数100，所以实验结果小数点要后移两位）。同时对习题1的思考（见后）也证明是正确的。 （1） 直接映射：stride = 132截图 （2） 直接映射：stride = 131截图 9 崔雪莹Cache实现分析 （3） 2路组相连：stride = 132截图 （4） 2路组相连：st

13、ride = 131截图 10 崔雪莹Cache实现分析 三、 整体分析 1、 三种映射方式对Cache效率的的影响 其他相同条件：block大小为2，组相连相连度为4，project.txt为200个01000的随机数。 生成图表： 11 崔雪莹Cache实现分析 此时可以看到： 1. 直接映射的失效率高，组相连失效率中等，全相连失效率最低 2. 随着cache容量的增加，失效率越小。 3. 当cache容量为1024时，因为数据取值的原因，三种方式失效率相等，说明当cache容量足够大，三种方式失效率是一样的。 2、 block块大小与Cache容量对Cache效率的影响 其他相同条件：直

14、接映射，相连度为1，project.txt为200个01000的随机数。 生成图表： 12 崔雪莹Cache实现分析 此时可以看到： 1. 对于给定的cache容量如64字节，当块大小增加时，失效率先是下降，后来反而上升了。 2. Cache容量越大，使其失效率达到最低的块的大小就越大。 3. 因为取得数据样本是随机的，不是连续的，实验数据并不是十分准确，比如cache容量128时，块大小出现两次失效率 3、 Cache容量与相连度对Cache效率的影响 其他相同条件：组相连，块大小2，project.txt为200个01000的随机数。 生成图表： 13 崔雪莹Cache实现分析 此时可以看

15、到： 1. 提高相连度会使失效率下降。 2. 因为取得数据样本是随机的，不是连续的，实验数据并不是十分准确。 3. 当容量为1024时，也就是cache一定大时，失效率没什么区别。 4、 三种失效类型影响因素 （1）相连度对三种失效类型影响： 其他相同条件：cache大小为256，block大小为2，组相连，project.txt为200个01000的随机数。 14 崔雪莹Cache实现分析 可以看出： 1. 强制性失效，即冷启动，不受相连度的影响。 2. 容量失效基本不受相连度影响，但因为数据偶然性，出现增大 趋势。 3. 冲突失效随着相连度的增加而降低。 （2）Cache容量对三种失效类型

16、影响： 其他相同条件：block大小为2，组相连度为4，project.txt为200个01000的随机数。 15 崔雪莹Cache实现分析 可以看出： 1. 容量越大，失效率越小。 2. 强制性失效不受容量大小的影响。 3. 容量失效随着容量的增加而大大减小。 4. 冲突失效不受容量大小的影响。 四、 实验思考和感受 1、关于模拟器的思考 1Cache大小可选为16/64/128/256，因为代码写了，但是没有增加选项。但是，我考虑因为16实在太小了，没什么意义。 2打开文件名字为project.txt，修改文件名。 3个人感觉有地方不太合适，因为直接映像就是特殊的组相联映射，所以相 联度一

17、定为1，但是代码中并没有设计这一点，当一个完全不懂得人使用时，很有可能设置相联度大于1，造成错误。另外我觉得可以把三种方式各封装在一个自己的函数里，这样代码更加清晰。 4有困惑我的问题，我是通过阅读代码才比较清晰的理解cache实现的，但 是模拟器给出的地址映射的方法是将数据字节地址转换为字地址，又将字地址转换为块地址，对块地址进行取模运算。而习题1 是直接对字地址进行取 16 崔雪莹Cache实现分析 模运算，方法明显不一致。通过我重新阅读习题1的题目，发现实际习题1的132/131是字地址，因为定义的int array数组定义的是整数字长，所以132/131指的是地址为字地址，例如两个地址之间是一个整数字长。 2、关于整个实验的思考 这次实验是我大学做的最用心的一次实验，没有之一。我在仔细的阅读实验代码后，知道了内存的物理地址是怎样转换为cache的块号或组号的。我根据自己的理解，画了一个模拟寻址图，更加