计算机组成原理之Cache模拟器的实现

1、实验一 Cache模拟器的实现一.实验目的(1)加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解。(2)掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。(3)掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处。(4)理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。二、实验内容和步骤1、启动Cachesim2.根据课本上的相关知识，进一步熟悉Cache的概念和工作机制。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SRAM速度慢，而SRAM速度快，但价格高。程序和数据具有局限性，即在一个较短的时间内，程序

2、或数据往往集中在很小的存储器地址范围内。因此，在主存和CPU之间可设置一个速度很快而容量相对较小的存储器，在其中存放CPU当前正在使用以及一个较短的时间内将要使用的程序和数据，这样，可大大加快CPU访问存储器的速度，提高机器的运行效率3、依次输入以下参数：Cache容量、块容量、映射方式、替换策略和写策略。Cache容量 块容量 映射方式 替换策略 写策略 8 32全相联映射先进先出算法 写回法（1）Cache容量：启动CacheSim，提示请输入Cache容量，例如1、2、4、8.。此处选择输入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

3、方式： 如下图所示，提示输入主存储器和高速缓存之间的assoiativity方法（主存地址到Cache地址之间的映射方式），1代表直接映射（固定的映射关系）、2代表组相联映射（直接映射与全相联映射的折中）、3代表全相联映射（灵活性大的映射关系）。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-Out,FIFO）算法、2代表近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法、3代表最不经常使用（Least Frequently Used，LFU）、4代表随机法（Random）。此处选择先进先出。（5）写策略： 如下

4、图所示，提示输入Cache的读写操作，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cache-traces.zip中的trace文件。 如下图所示，提示输入要测试的路径及名称，此处输入Cache-trace.zip的路径，以及需要读取的trace文件名，此处选择读取mcf.trace。5、运行程序，观察cache的访问次数、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： 访问次数读出次数

5、写入次数平均命中率读出命中率写入命中率 727230 5972 721258 74.8615% 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%（6）缓存命中率：74.9787%思考：1、Cache的命中率与其容量大小有何关系？（1）当Cache块容量为8B、Cache容量为8KB时，平均命中率为1.02017%.（2）当Cache块容量为8B、Cache容量为16KB时，平均命中率为1.02334%.（3）当Cache块容量为

6、8B、Cache容量为32KB时，平均命中率为1.03695%.（4）当Cache块容量为8B、Cache容量为64KB时，平均命中率为1.0375%.（5）当Cache块容量为8B、Cache容量为128KB时，平均命中率为1.03791%.当Cache块容量为8B时，不同Cache容量下的命中率如下图所示：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的命中率越高。 2、Cache块大小对不命中率有何影响？（

7、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32KB、Cache容量为8B时，平均命中率为75.2232%.（4）当Cache块容量为64KB、Cache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容量下的命中率如下图所示：Cache块容量 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的命中率越高。则其不命中率越低。 3、替换算法和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替换策略为先进先出算法时：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：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：当替换策略

9、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：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%。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的命中率高于先进先出算法的命中率。当保持替换策略一致时，相联度大小为二路组相联的命中率高于四路组相联的命中率。三.实验结果分析根据实验内容及上述数据结果可知： 1. Cache容量不同时它的命中率也会随之改变；

10、 当Cache块容量一定时，Cache容量越大，其CPU的平均命中率越高2. Cache块大小不同时对命中率也会有影响。 Cache块容量越大，其不命中率越低3. 替换算法和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的命中率高于先进先出算法的命中率。当保持替换策略一致时，相联度大小为二路组相联的命中率高于四路组相联的命中率。其中替换算法对命中率的影响比较大，而相联度大小对命中率的影响小一些，在实际工作中为了提高命中率我们应该选择合适的算法。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

11、数读出次数写入次数平均命中率读出命中率写入命中率 727230 5972 721258 74.8615% 60.6999% 74.9787%（2）当Cache块容量为8B时，不同Cache容量下的命中率如下图所示：Cache容量 8 16 32 64 128平均命中率1.02017% 1.02334% 1.03695% 1.0375% 1.03791%（3）当Cache容量为8kB时，不同Cache容量下的命中率如下图所示：Cache块容量 8 16 32 64 128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的命中率如下图：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.通过此次的实验我发现当输入的cache容量一定时，改变cache块容量的大小则cache的命中率会改变，规律是cache块容量的值越大，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cache容量变大而变大。3.通过这次的试验我发现书