Cache实验

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一种低功耗动态可重构cache算法的研究

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｙｎａｍｉｃａｌｌｙｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｕｓｅｄｔｈｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ — ｃｙｃｌｅｔｏｄｅｔｅｃｔｐｈａｓｅｃｈａｎｇｅｓ．Ｉｎｅａｃｈｐｈａｓｅ，ｔｈｅ
随着嵌入式微处理器的集成度和速度的发展，性能得到了
极大地提升。然而，随着社会的进步和发展，能量的消耗在不
优化的ｃａｃｈｅ架构，它有效地利用嵌入式系统中ｃａｃｈｅ的设计空间去寻找适合功耗和性能最优化的ｃａｃｈｅ容量大小。实际
上，随着程序的运行，ｃａｃｈｅ的最优结构会不断地改变。所以，
断地增加，特别是集成电路芯片的能量消耗。因此，低功耗设计日渐成为嵌入式微处理器与数字信号处理器中的主要目标。而ＣＰＵ运算速度和主存速度不匹配的情况在逐渐地扩大，因此由高速缓存ｃａｃｈｅ来解决主存与ＣＰＵ之间速度不匹配的问题。Ｃａｃｈｅ的能耗在嵌入式系统中占了非常大的比重… ，因此低缺失率、低功耗ｃａｃｈｅ成为了研究的方向。程序的时间和空间局部性原理是当前ｃａｃｈｅ技术产生和发展的前提条件。随着低功耗ｃａｃｈｅ成为人们研究的热点，降低ｃａｃｈｅ功耗的技术就层出不穷。Ｉｎｏｕｅ等人提出了路预测ｃａｃｈｅ算法。其主要思想是直接访问预测表中的预测路、预测命中，把数据送给ＣＰＵ，预测失败，则访问ｃａｃｈｅ中其他路的ｔａｇ和ｄａｔａ。Ｒａｖｅｅｎｄｒａｎ等人提出的基于预测放置方法的路预测算法，通过增加最小预测位来减少ｔａｇ的比较次数，增加路

计算机硬件系统设计_华中科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年

计算机硬件系统设计_华中科技大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.Logisim中逻辑与门默认引脚数目是多少？答案:52.Logisim中异或门的默认多输入行为是？答案:当一个输入为1时输出为13.Logisim中墨绿色线缆代表什么值？答案:4.Logisim中组合电路自动生成功能最多支持多少个1位输入？答案:125.一个4路选择器的选择控制端位宽为几位答案:26.实验中设计的32位ALU作为运算器的核心部件，其属于（）答案:组合逻辑电路7.8位无符号阵列乘法器需要多少个全加器？答案:568.假设一个门电路时间延迟为T，全部采用2输入门电路构成的8位串行加法器时间延迟是（）答案:17T9.实验中构造32位ALU实验主要用到哪些Logisim组件（）答案:多路选择器10.原码一位乘法以及补码一位乘法电路利用加法器多次运算实现乘法，其核心控制单元需要如何让电路停止运算，在实验中以下实现方法哪种更好（）答案:控制寄存器使能端11.MOOC实验中，8位补码一位乘法器需要多少个时钟周期才能完成运算答案:912.汉字字库扩展实验中4个待填充的ROM中的数据如何进行填充（）答案:将原始数据按先后顺序均分成四份填充13.MIPS寄存器文件中0号寄存器的功能是（）答案:恒零值14.MIPS寄存器文件实验中如何控制数据写入正确的寄存器（）答案:控制各寄存器使能端15.Cache实验中cache槽中的标记数据通过哪个组件输出到比较器（）答案:三态门16.MOOC实验中直接相联映射cache模块需要多少个比较器（）答案:117.单周期CPU设计实验中32位的PC值如何连接到指令存储器（）答案:去掉高位，同时去掉低2位18.单周期CPU设计实验中如何实现syscall停机指令更好（）答案:控制PC寄存器使能端19.多周期CPU设计实验中控制器单元是（）答案:同步时序逻辑电路20.多周期CPU设计实验中LW指令一共需要多少个时钟周期（）答案:521.Logisim中逻辑与门组件支持的快捷键有哪些？答案:alt+数字键数字键方向键22.Logisim电路出现红色线缆的原因是？答案:数据短路引起的冲突，电路初始化短路的两个输入是相同的，运行过程中变成了相反的值导致数据冲突部分子电路或者组件有未连接的输入23.下列器件中，可以用来构建计数器的是答案:D触发器JK触发器24.关于组合逻辑电路，以下说法正确的是答案:组合逻辑电路可能存在输入信号竞争引起的输出险象问题组合逻辑电路的输出都是输入的逻辑函数25.可以用于组合逻辑电路设计的方法有答案:卡诺图真值表逻辑表达式26.关于同步时序逻辑电路，正确的有答案:电路中所有组件都采用公共时钟进行同步同步时序电路由组合逻辑和存储单元构成电路中一定存在着反馈回路同步时序电路存在亚稳态的问题27.有可能发现两位错误并能纠正1位错的编码是()答案:海明码CRC码28.在CRC编码传输体系中，接收端检测出某一位数据错误后，可能采取的策略是()答案:请求重发通过余数值自行纠正删除数据29.判断加减法溢出时，可采用判断进位的方式，若符号位的进位为C0，最高位的进位为C1，则产生溢出的条件是答案:C0产生进位，C1不产生进位C0不产生进位，C1产生进位30.单符号补码加法溢出的检测方法是()答案:正正得负、负负得正最高位进位位和次高位进位位异或。

cache硬件设计实验总结

cache硬件设计实验总结
一、实验内容
本次实验主要是简单熟悉cache硬件设计的基础，以及学习cache在系统中的应用。

学习的主要内容有：
1、cache硬件结构，包括cache的分类、cache的结构及工作原理；
2、cache替换算法的概述；
3、cache的动态优化。

二、实验目的
通过本次实验，学生可以掌握cache的硬件结构，理解cache 的替换算法，以及cache的动态优化，为以后学习更深入的cache 知识打下扎实的基础。

三、实验过程
1、首先，学生阅读有关cache硬件结构的相关资料，理解cache的分类、结构及工作原理；
2、然后，学生学习cache的替换算法，如最近最久未使用（LRU）、先进先出（FIFO）、最佳置换（OPT）等；
3、接着，学生了解cache的动态优化，学习cache置换算法的变种，以及新型cache技术，如组织优化（Organize）、负载均衡（Load Balance）等；
4、最后，学生自己动手实现cache的编程，并用调试工具检测cache的程序是否正确。

四、实验总结
经过本次实验，我们对cache的硬件结构、替换算法、动态优化有了更加全面的认识，并且深入理解了cache在系统中的应用，锻炼了我们的编程能力。

同时，我们在实验中，也提升了自己的专业技能，为以后学习打下扎实的基础。

Cache矩阵乘积算法性能改善实验

1 实验目地及要求★了解Cache对系统性能地影响★了解基于系统结构地算法设计思想2 实验模块及实验原理2.1 实验模块(1)编写两个C语言程序.一个是实现矩阵乘积地一般算法.另一个是基于Cache地矩阵乘积优化算法.(2) 采用不同矩阵大小来进行多组测量,使实验地结果更加准确.2.2 实验原理本实验采用控制变量地方法.矩阵大小相同时比较两算法地优略.在相同算法中采用改变矩阵大小地方式,使结果更加准确.3 实验步骤与结果3.1 实验步骤（1）编译并运行程序1,记录相关数据.（2）不改变矩阵大小时,编译并运行程序2,记录相关数据.（3）改变矩阵大小,重复（1）、（2）两步.（4）通过以上地实验现象,分析出现这种现象地原因.3.2 实验结果1．用C语言实现矩阵（方阵）乘积一般算法（程序1）,填写下表：矩阵大小：500 一般算法执行时间：2. 62500矩阵大小：1000 一般算法执行时间：20.171875矩阵大小：1500 一般算法执行时间：73.718750矩阵大小：2000 一般算法执行时间：167. 93750矩阵大小：2500 一般算法执行时间：394.828125矩阵大小：3000 一般算法执行时间：1099. 312502．程序2是基于Cache地矩阵（方阵）乘积优化算法,填写下表：矩阵大小：500 优化算法执行时间：1.562500矩阵大小：1000 优化算法执行时间：12.625000矩阵大小：1500 优化算法执行时间：42.875000矩阵大小：2000 优化算法执行时间：102.171875矩阵大小：2500 优化算法执行时间：202.796875矩阵大小：3000 优化算法执行时间：360. 31250矩阵大小：500 加速比：1.68矩阵大小：1000 加速比：1.598矩阵大小：1500 加速比：1.72矩阵大小：2000 加速比：1.63矩阵大小：2500 加速比：1.63矩阵大小：3000 加速比：3.05加速比定义：加速比=优化前系统耗时/优化后系统耗时；所谓加速比,就是优化前地耗时与优化后耗时地比值.加速比越高,表明优化效果越明显.4 实验代码程序1：#include <sys/time.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>main(int argc,char *argv[]){float *a,*b,*c,temp;long int i,j,k,size,m;struct timeval time1,time2;if(argc<2){printf("\n\tUsage:%s <Row of square matrix>\n",argv[0]);exit(-1);}size=atoi(argv[1]);m=size*size;a=(float*)malloc(sizeof(float)*m);b=(float*)malloc(sizeof(float)*m);c=(float*)malloc(sizeof(float)*m);for(i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){a[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);b[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);}gettimeofday(&time1,NULL);for(i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){c[i*size+j]=0;for(k=0;k<size;k++)c[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[k*size+j];}gettimeofday(&time2,NULL);_sec-=_sec;_usec-=_usec;if(_usec<0L){_usec+=1000000L;_sec-=1;}printf("Executiontime=%ld.%6ldseconds\n",_sec,_usec);}return(0);}程序2：#include <sys/time.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>main(int argc,char *argv[]){float *a,*b,*c,temp;long int i,j,k,size,m;struct timeval time1,time2;if(argc<2){printf("\n\tUsage:%s <Row of squarematrix>\n",argv[0]);exit(-1);}size=atoi(argv[1]);m=size*size;a=(float*)malloc(sizeof(float)*m);b=(float*)malloc(sizeof(float)*m);c=(float*)malloc(sizeof(float)*m);for(i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){a[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);c[i*size+j]=(float)(rand()%1000/100.0);}gettimeofday(&time1,NULL);for(i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){b[i*size+j]=c[j*size+i];for(i=0;i<size;i++)for(j=0;j<size;j++){c[i*size+j]=0;for(k=0;k<size;k++)c[i*size+j]+=a[i*size+k]*b[j*size+k];}gettimeofday(&time2,NULL);_sec-=_sec;_usec-=_usec;if(_usec<0L){_usec+=1000000L;_sec-=1;}printf("Executiontime=%ld.%6ldseconds\n",_sec,_usec);}return(0);}5 实验结果分析（1）对于矩阵乘法,用一般算法执行时,执行时间随着矩阵地增大变化较大. （2）用优化算法执行时,执行时间随着矩阵地增大变化较小.（3）由加速比计算结果可清晰看到在矩阵比较小时,优化前后区别不大；随着矩阵规模变大,加速就比较明显了.。

QCache缓存（类似于map的模板类，逻辑意义上的缓存Cache，方便管理，默认类似于L。。。

QCache缓存（类似于map的模板类，逻辑意义上的缓存Cache，⽅便管理，默认类似于L。

最近在学习缓存⽅⾯的知识，了解了缓存（Cache）的基本概念，为什么要使⽤缓存，以及⼀些缓存算法（缓存替换），如LRU、LFU、ARC等等。

这些缓存算法的实现过程会使⽤⼀些基本的数据结构，如list、map等。

STL提供了⼀些标准的容器模板类可以拿来使⽤，我要在QT环境下测试，所以就近学习⼀下QT的容器类，如QList、QMap等。

可在QT官⽅帮助⽂档中关键词搜索“Container Classes”这些容器类的设计⽐STL容器更轻，更安全，更易于使⽤。

如果您不熟悉STL，或者喜欢以“Qt⽅式”执⾏操作，则可以使⽤这些类⽽不是STL类。

这些容器类是隐式共享的，它们是可重⽤的，并且它们针对速度，低内存消耗和最⼩内联代码扩展进⾏了优化，从⽽导致较⼩的可执⾏⽂件。

此外，它们在⽤于访问它们的所有线程⽤作只读容器的情况下是线程安全的。

为了遍历存储在容器中的项，可以使⽤两种类型的迭代器之⼀：Java样式迭代器和STL样式迭代器。

Java样式的迭代器更易于使⽤并提供⾼级功能，⽽STL样式的迭代器更轻更⾼效，可以将Qt和STL的通⽤算法⼀起使⽤。

Qt还提供了⼀个foreach关键字，可以很容易地迭代存储在容器中的所有项⽬。

除了通⽤的容器类之外，Qt还包括三个模板类，在某些⽅⾯类似于容器。

这些类不提供迭代器，不能与foreach关键字⼀起使⽤。

其中的⼀个模板类就是QCache。

QCache<Key, T>提供缓存以存储与键Key类型的键相关联的特定类型T的对象。

例如，下⾯的代码定义了⼀个缓存，⾥⾯存储的键是⼀个整数，值是我们⾃定义的Employee类型：QCache<int, Employee> cache;以下是如何在缓存中插⼊对象：C++ Code1 2 3 4 5Employee *employee = new Employee; employee->setId(37);employee->setName("Richard Schmit"); ...cache.insert(employee->id(), employee);使⽤QCache优于其它基于键key的数据结构（例如QMap或QHash）的地⽅主要表现在于QCache会⾃动获取插⼊到缓存中的对象的所有权，并删除它们以在必要时为新对象腾出空间。

2路组相连cache设计课程设计

2路组相连cache设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解2路组相连Cache的基本概念、原理与结构。

2. 学生能掌握Cache的映射方式、替换策略，以及2路组相连Cache的具体实现方法。

3. 学生能运用所学知识分析2路组相连Cache的性能指标，如命中率、缺失率等。

技能目标：1. 学生具备运用硬件描述语言（如Verilog、VHDL等）设计2路组相连Cache的能力。

2. 学生能够使用相关工具（如ModelSim等）对2路组相连Cache进行仿真与调试。

3. 学生能够通过实验和数据分析，评估2路组相连Cache的性能，并提出优化方案。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机组成原理中存储系统知识的学习兴趣，激发其探索精神。

2. 培养学生具备团队协作精神，提高沟通与表达能力。

3. 培养学生关注技术发展，认识到存储技术在现代计算机系统中的重要性。

课程性质：本课程为计算机组成原理的实践课程，以理论为基础，侧重于培养学生的实际操作能力和创新思维。

学生特点：学生已具备一定的数字电路基础和计算机组成原理知识，具有一定的编程和仿真经验。

教学要求：结合学生特点，通过本课程的学习，使学生能够掌握2路组相连Cache的设计与实现，提高其解决实际工程问题的能力。

教学过程中注重理论与实践相结合，强调学生动手能力的培养。

通过课程目标分解，确保学生在知识、技能和情感态度价值观方面的全面发展。

二、教学内容1. 2路组相连Cache的基本原理与结构- Cache的基本概念及其在计算机存储体系中的作用- 2路组相连Cache的映射方式、组相联结构特点2. Cache的替换策略与设计方法- 随机替换、先进先出（FIFO）和最近最少使用（LRU）等替换策略- 2路组相连Cache的具体设计方法与实现步骤3. 硬件描述语言及仿真工具的使用- 硬件描述语言（如Verilog、VHDL）的基本语法- ModelSim等仿真工具的使用方法4. 2路组相连Cache的设计与实现- 依据教学大纲，按照指定的进度完成Cache的设计与仿真- 评估Cache性能，分析命中率、缺失率等指标5. 优化方案探讨- 针对现有2路组相连Cache设计，提出可能的优化措施- 分析优化方案对Cache性能的影响教学内容根据课程目标进行选择和组织，保证科学性和系统性。

直接相联cache设计实验原理

直接相联cache设计实验原理在计算机系统中，缓存是一种用于加速数据访问的关键组件。

它可以存储最近使用过的数据，以便在需要时能够快速获取。

在缓存设计中，直接相联cache是一种常见的设计方案。

本文将介绍直接相联cache的设计原理和实验方法。

一、直接相联cache的基本原理直接相联cache是一种基于地址映射的缓存设计方案。

它通过将主存中的数据映射到缓存的不同行中，以实现数据的快速访问。

在直接相联cache中，每个主存地址对应一个缓存行，缓存行由标签（tag）、有效位（valid bit）和数据组成。

1. 标签（tag）：用于标识主存地址对应的数据是否在缓存中。

当主存地址被访问时，缓存会比对标签值，以确定是否命中。

2. 有效位（valid bit）：用于标识缓存行中的数据是否有效。

当缓存行中的数据被修改或替换时，有效位会相应地进行更新。

3. 数据：存储在缓存行中的主存数据。

直接相联cache的设计原理是，通过将主存地址的一部分作为标签，并将其余部分作为行索引，将主存数据映射到相应的缓存行中。

例如，将主存地址的高位作为标签，低位作为行索引。

这样，当主存地址被访问时，缓存可以通过比对标签值来确定是否命中，并通过行索引找到相应的缓存行。

二、直接相联cache的实验设计为了验证直接相联cache的性能和效果，可以进行一系列实验。

下面将介绍一个基于直接相联cache的实验设计。

1. 实验目标：测试直接相联cache的命中率和访问延迟，评估其性能表现。

2. 实验材料：计算机系统、编程语言（如C++）。

3. 实验步骤：（1）确定缓存参数：包括缓存大小、行大小、标签位数等。

根据实验需求和计算机系统的特点，选择合适的参数。

（2）编写数据生成程序：生成一系列模拟的数据访问请求。

可以使用随机算法生成各种类型的数据访问模式，包括顺序访问、随机访问等。

（3）编写缓存模拟程序：根据直接相联cache的设计原理，实现一个缓存模拟程序。

074-王楠-计组实验五Cache控制器设计实验

延安大学计算机学院实验报告专用纸学号1110218014074 姓名王楠班级计科18 课程名称计算机组成原理实验项目名称Cache控制器设计实验任课教师指导教师实验组别第组同组者教师评语及成绩：实验成绩：教师签字：（请按照实验报告的有关要求书写，一般必须包括：1、实验目的；2、实验内容；3、实验步骤与方法；4、实验数据与程序清单；5、出现的问题及解决方法；6、实验结果、结果分析与体会等内容。

）【1】实验目的（1）掌握Cache控制器的原理及其设计方法。

（2）熟悉CPLD应用设计及EDA软件的使用。

【2】实验原理1、采用直接映像方式的cache控制器图1直接映像方式2、采用CPU首先访问Cache，若在Cache中找不到目标地址，则从MEM单元中读入到Cache。

图2 Cache系统框图3、按区号、块号、块内地址访问目标地址，系统默认存储每个块的首地址，若同时访问同一块中的其他地址，将出现新访问的地址覆盖与之在同一块的另一块号。

【3】实验步骤(1)使用Quartus II 软件编辑实现相应的逻辑并进行编译，直到编译通过，Cache 控制器在EPM1270芯片中对应的引脚如图2-2-5所示，框外文字表示IO号,框内文字表示该引脚的含义(本实验例程见‘安装路径\Cpld \CacheCtrl\CacheCtrl.qpf’工程)(2)关闭实验系统电源，按图2-2-6连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明(3)打开实验系统电源，将生成的POF文件下载到EMP1270中去，CPLD单元介绍见实验1.2。

(4)将时序与操作台单元的开关KK3置为‘运行’档，CLR信号由CON单元的CLR模拟给出，按动CON单元的CLR按钮，清空区表。

(5)预先往主存写入数据:联机软件提供了机器程序下载功能，以代替手动读写主存，机器程序以指定的格式写入到以TXT为后缀的文件中，机器指令的格式如下:如$P 1F 11,表示机器指令的地址为1FH,指令值为11H，本次实验只初始化00-0FH共16个单元，初始数据如下，程序中分号‘;'为注释符，分号后面的内容在下载时将被忽略掉。

计算机组成原理实验报告

湖南师范大学工程与设计学院计算机组成原理实验报告姓名：年级：2014级专业：计算机科学与技术学号：**********任课教师：***开课时间：2015~2016学年第二学期湖南师范大学工程与设计学院实验数据报告单实验课程：计算机组成原理实验题目：基本运算器实验实验日期：2016年 6月13日专业：计算机年级：2014级班级:五班姓名：一.实验目的：1.了解运算器的组成结构2.掌握运算器的工作原理二..实验内容：主要内容：该试验旨在了解运算器内部运算过程及组成结构，并能进行一些简单的数据运算。

该实验通过一片CPLD来实现运算器部件的功能，在接好的实验电路上，用CMA软件将数据加载加入内存，最终实现通过设置CON单元的S3、S2、S1、S0以及时序T1、T2、T3、T4的不同值来实现不同的功能。

表现在：用S3、S2、S1、S0的不同值并配合CN的值来实现将寄存器A、寄存器B中的两个数进行逻辑运算、移位运算、算术运算，并且加上时间脉冲的加入，并且能够准确的实现值的输出。

结果体现在：用FC灯亮表示有进位，FZ灯亮表示零标志，D7…D0灯显示通过运算后得出来的值。

三.实验原理图：图一（运算器原理图）四.实验数据与分析：0000：功能是F＝A（直通），因为A=65,所以F＝65,且没有进位，标志位也没有变化，所以FC=0,FZ=0. 0001: 功能是F=B （直通），因为A=A7,所以F＝A7,且没有进位，标志位也没有变化，所以FC=0,FZ=0. 0010: 功能是F＝AB,也就是A与B的逻辑与，所以F=25, 且没有进位，标志位也没有变化，所以FC=0,FZ=0. 0011：功能是F=A+B,也就是A与B的逻辑或，所以F=E7, 且没有进位，标志位也没有变化，所以FC=0,FZ=0. 0100: 功能是F=/A，0101：功能是F=A不带进位循环右移B(取低三位)位。

0110：功能是当CN=0时，F=A逻辑右移一位；当CN=1时，F=A带进位逻辑右移一位。

晶晶实验十四 Library cache

晶晶实验十四Library cache篇第一小结library cache 的内存结构Library cache的作用，最主要的就是存储已解析的SQL声明，避免硬解析。

我们可以通过一个视图V$librarycache来了解Library cache点中率，已此来评估SQL声明的解析情况。

应时时注意此视图中点中率情况，好及时发现并解决问题。

一、Library cache中所存储的信息：1.按对象类型分类：共享游标（SQL and PL/SQL objects）、数据库对象（tables, indexes, and so on）2.按存在时间分类：存贮对象：如表、索引、视图等（老化后磁盘上还有所以叫永久存储并不是永久存储在LIBRARY中）瞬时对象：如游标（老化后就没有了）（简单了解在Library cache中数据库对象的信息是什么）二、Library cache中如何存储信息了解Library cache的简单原理，对于理解一些调优概念，是十分必要的。

共享池内存的结构，是计算机中常用的哈希表形式的扩展。

常用的哈希表形式，总是先有一个哈希表，保存对象地址（或句柄），然后，根据对象地址（或句柄）访问对象，计算机中常以这种方式组织数据。

其基本形式如下：library.GIF注意地址和句柄的区别，一般来说，地址只是一个位置信息。

而句柄，除了位置，还包含一些其他信息。

还要注意“堆（Heap）”的概念，程序开发者在程序员使用系统函数分配的内存。

注：此处补充一点概念，除了堆之外，还有栈，也是内存中比较常见的名词。

开发者在程序中定义的各种变量，就在栈中分配。

上图每一组哈希值、链表头，叫做一个哈希桶。

简单的说就是：哈希桶（Hash Bucket）指向对象句柄（Object Handles），对象句柄存有对象所占的堆内存的地址。

由于对象的堆往往不只一个，Oracle习惯称这些堆为子堆。

通常，对象句柄中存有0号子堆的地址，而0号子堆中存有其他各个子堆的地址，而Library cache 中所存贮对象的信息，就在从0号开始的各个子堆中。

4路组相联cache设计实验报告

4路组相联cache设计实验报告实验报告一、实验目的本实验旨在实现4路组相联cache的设计，并用科学方法评价其性能。

二、实验内容（一）实现4路组相联cache实现4路组相联cache的功能，具体内容如下：1. 设计cache结构：设计4路组相联cache的数据结构；2. 编写读取程序：编写程序从cache中读取数据；3. 代码实现：利用设计的结构，实现cache的功能程序；4. 性能评估：采用科学可靠的方法评估程序的性能。

（二）运行实验1. 选择测试数据：采用规范的测试数据集，以便对结果进行科学评价；2. 调参：根据不同特征的数据集，调动cache结构上的参数，以获取最优性能；3. 性能评估：运行不同参数设定，定量评估4路组相联cache性能；4. 绘制图表：根据实验结果，绘制折线图，可视化实验结果。

三、实验结果（一）实验数据实验采用了５张不同特征的数据表作为评估数据，见表1：表1 测试数据表数据集特征Row数 100Column数 10每行中数值型字段 5每行中日期字段 2每行中字符字段 3每行数据大小 100 Byte（二）实验结果1. cache结构改进：依据不同测试数据表，改进cache结构，并增加数据对应的查找时间；2. 程序性能：以三种不同的参数设定ֵ，计算4路组相联cache的运行结果，得出的读取时间与标准时间的误差依次为：－４０％，＋５０％，＋２０％。

3. 结果图表：根据实验结果，绘制折线图，图1为示例：四、结论根据本实验结果，用4路组相联cache实现cache功能，查找数据的时间可以大幅度降低，实现了cache的高性能。

利用高速缓存(Cache)的局部性优化矩阵乘法

int sj, si, sk; for ( sj = 0; sj < n; sj += blocksize )
for ( si = 0; si < n; si += blocksize ) for ( sk = 0; sk < n; sk += blocksize )
-4-
do_block(n, blocksize, si, sj, sk, A, B, C); }
*B, double *C)
{
dgemm (n, blocksize, A+si*n+sk, B+sk*n+sj, C+si*n+sj);
//printf("\n");
//printf("%d %d %d\n", si, sj, sk);
//for(int i = 0; i < n; i++)
//{
}
-2-
分析：计算机在实际计算上述普通矩阵乘法时，所计算矩阵 C 的每一个数据时，都要用到矩阵 A 的某行和矩阵 B 中的某列，而矩阵 A、B 和 C 都是存储在内存中的，又由于 CPU 的速度远远大于访问内存的速度，如果是直接从内存读取和写回计算数据，那么计算效率是非常低下的，由于访问内存会导致时延，CPU 的计算资源被浪费，即计算效率低。为了提高计算速度，引入了 cache 机制，即先把存放在内存中的矩阵 A、B 的元素调入 cache，这样寄存器可以先寻访 cache，访问 cache 的速度要比访问内存的速度快，如果在 cache 中没有所需要的数据时，才需要访问内存。但是，矩阵 A、B 在实际应用中都包含大量的元素，数据量非常分庞大，也即，上述程序中 n 很大，而处理器中的 cache 往往很小，因此不能将整个矩阵全部放入 cache 中。因此需要将这些大的矩阵按照某种方法进行分块，使得分块后的小矩阵可以放入到 cache 中，但是分块又不能随意分，需要有一定的原则去分块，如果分块子矩阵太大，那么子矩阵还是不能全部放入 cache 中，如果分块子矩阵太小，那么为了计算一个大矩阵的数据，需要调入 cache 的子矩阵的次数会增加，因此需要选择合适的分块方法。 2.分块实现矩阵乘法，利用 cache 的局部性，优化程序性能： a) 安装 Linux 系统： b) 查看 Linux 系统 cache 的大小：

王楠-计组实验五Cache控制器设计实验

074-王楠-计组实验五C a c h e控制器设计实验(共4页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-延安大学计算机学院实验报告专用纸学号姓名王楠班级计科18课程名称计算机组成原理实验项目名称Cache控制器设计实验任课教师指导教师实验组别第组同组者教师评语及成绩：实验成绩：教师签字：（请按照实验报告的有关要求书写，一般必须包括：1、实验目的；2、实验内容；3、实验步骤与方法；4、实验数据与程序清单；5、出现的问题及解决方法；6、实验结果、结果分析与体会等内容。

）【1】实验目的（1）掌握Cache控制器的原理及其设计方法。

（2）熟悉CPLD应用设计及EDA软件的使用。

【2】实验原理1、采用直接映像方式的cache控制器图1直接映像方式2、采用CPU首先访问Cache，若在Cache中找不到目标地址，则从MEM单元中读入到Cache。

【3】实验步骤(1)使用Quartus II 软件编辑实现相应的逻辑并进行编译，直到编译通过，Cache 控制器在EPM1270芯片中对应的引脚如图2-2-5所示，框外文字表示IO号,框内文字表示该引脚的含义(本实验例程见‘安装路径\Cpld \CacheCtrl\’工程)(2)关闭实验系统电源，按图2-2-6连接实验电路，并检查无误，图中将用户需要连接的信号用圆圈标明(3)打开实验系统电源，将生成的POF文件下载到EMP1270中去，CPLD单元介绍见实验。

(4)将时序与操作台单元的开关KK3置为‘运行’档，CLR信号由CON单元的CLR模拟给出，按动CON单元的CLR按钮，清空区表。

《计算机体系结构》课程实验教学大纲(Ⅰ)

《计算机体系结构》课程实验教学大纲(Ⅰ) [注：同一门实验课程若对不同专业开设的实验项目、实验要求不同，则大纲应不同，区分可采用题目后加（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）……的办法]编号：课程总学时：54 实验学时：8课程总学分： 3 实验学分：（非单独设课的实验不用填此项）先修课程：《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《数字逻辑》、《计算机组成原理》,《操作系统》,《编译原理》适用专业：计算机科学与技术（嵌入式本科）、网络工程（本科）、计算机科学与技术（信息技术方向本科）一、本课程实验的主要目的与任务本课程实验的主要目的与任务是为了配合本课程更好的深入开展和执行，通过让学生做一定数量的实验，提高学生从总体结构、系统分析这一层次来研究和分析计算机系统的能力，帮助学生建立整机的概念；使学生掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基本设计和分析方法，并对计算机系统结构的发展历史和现状有所了解。

二、本课程实验应开设项目注：1、类型---指验证性、综合性、设计性；2、该表格不够可拓展。

三、各实验项目主要实验内容和基本要求实验 1 MIPS指令系统和MIPS体系结构1. 实验目的(1)了解和熟悉指令级模拟器；(2)熟练掌握MIPSsim模拟器的操作和使用方法；(3)熟悉MIPS指令系统及其特点，加深对MIPS指令操作语义的理解；(4)熟悉MIPS体系结构。

2. 实验内容首先要阅读MIPSsim模拟器的使用方法，然后了解MIPSsim的指令系统和汇编语言。

（1）启动MIPSsim（用鼠标双击MIPSsim.exe）。

（2）选择“配置”->“流水方式”选项，使模拟器工作在非流水方式。

（3）参照使用说明，熟悉MIPSsim模拟器的操作和使用方法。

可以先载入一个样例程序（在本模拟器所在的文件夹下的“样例程序”文件夹中），然后分别以单步执行一条指令、执行多条指令、连续执行、设置断点等的方式运行程序，观察程序的执行情况，观察CPU中寄存器和存储器的内容的变化。

计算机系统结构实验报告-MIPS 指令系统和MIPS 体系结构

计算机系统结构实验报告实验名称：MIPS 指令系统和MIPS 体系结构专业年级：0xxxxxxx姓名：xxxxxx计算机系统结构实验报告班级xxxxxxxxxxx 实验日期xxxxxxxxxx 实验成绩姓名xxxxxxxx 学号230xxxxxxxxxx4实验名称Cache性能分析实验目的、要求及器材实验目的：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性能的影响实验平台：采用Cache模拟器MyCache。

实验内容、步骤及结果首先要掌握 MaCache模拟器的使用方法。

1、Cache容量对不命中率的影响选择地址流文件，选择不同的Cache容量，执行模拟器，记录各种情况的不命中率。

表：地址流文件名： eg.din结论：Cache容量越大，不命中率越低.但增加到一定程度时命中率不变。

2、相联度对不命中率的影响表：64KB相联度 1 2 4 8 16 32 不命中率（%）0.89 0.53 0.47 0.45 0.44 0.44地址流文件： all.din图：64KB表：256KB相联度 1 2 4 8 16 32 不命中率（%）0.49 0.38 0.36 0.36 0.35 0.35地址流文件： all.din图：256KB结论：相联路数越多，则不命中率越低，同时，有个极限值，且该极限值随Cache容量大小的增加而减小。

3 Cache块大小对不命中率的影响块大小Cache容量2 8 32 128 51216 18.61 10.12 3.81 1.95 1.4232 14.22 7.59 2.84 1.26 0.8764 12.62 6.47 2.36 0.92 0.60128 12.98 6.35 2.31 0.76 0.47256 16.04 7.29 2.15 0.72 0.40地址流文件：ccl.din结论：不命中率随分块大小的增大先减小后增大，即存在一个最优的分块大小，且该最优分块随Cache容量的增大而增大。

计算机组成原理实验

整机仿真整机是将所有模块通过总线连接在一起，成为一台完整的计算机。设计需求：该部分将各子模块综合，通过输入/输出设备实现汇编语言的编辑和编译，生成二进制代码；将二进制代码存入主存，顺序执行，经过“指令模块”实现全速、单步或微单步运行程序，完成程序功能。各步程序结果，各寄存器变量通过显示输出实时查看。
1. 采用 Cache-Memory 存储层次。 2. 地址长度为 16 位，数据寄存器长度 16 位，存储字长是 8 位，采用小端存储模式。 3. Cache 采用二路组相联，Cache 大小为 1KB，每个字块 4 个字，字长为 2B。 4. 能根据有效地址读 Cache 和内存，把数据读入数据寄存器中；能根据有效地址把
1、运算器由 ALU，状态寄存器，通用寄存器组成。 2、 ALU 能够进行加、减、乘、除等四则运算，与、或、非、异或等逻辑运算以及移
位求补等操作。其中乘除法要实现原码 1 位乘、补码 1 位乘（Booth）、原码加减交替除法、补码加减交替除法 4 种算法。选作原码/补码 2 位乘算法。 3、通用寄存器组用于保存参加运算的操作数和运算结果。 4、状态寄存器用于记录算术、逻辑运算的结果状态。程序设计中，这些状态通常用作条件转移指令的判断条件，所以又称为条件码寄存器。一般均设置如下几种状态位：零标志位（Z），负标志位（N），溢出标志位（v），仅为或借位标志（C）。【输入】从 ins_input.txt 读入。每行有一个操作码和两个操作数，用空格分开，操作数用原码表示。 e.g. Add 0.110111 1.101110 Sub 0.100111 0.101011 Mul 1.101110 0.110111 【输出】将运算过程和结果输入到 output.txt 例如： ori_onebit_times [x]ori=1.101110 [y]ori=0.110111 x*=0.101110 y*=0.110111 0.000000 110111 + 0.101110 -------------------------------0.101110 0.010111 0 11011 + 0.101110 -------------------------------1.000101 0 0.100010 10 1101 + 0.101110 -------------------------------1.010000 10 0.101000 010 110 0.010100 0010 11 + 0.101110 -------------------------------1.000010 0010 0.100001 00010 1 + 0.101110 --------------------------------

多核cache亲和性

多核cache亲和性综述概述利用亲和性这种特性可以降低进程转移带来的性能损失，提高cache命中率，同时利用该特性可以充分利用片上所有的cache来加速串行程序的执行。

但要利用该特性需要操作系统调度程序的支持，同时要求有一定的硬件的支持。

经过研究，cache亲和性对单核多处理器的性能提升不大，但对于多核多处理器能带来很大的性能提升。

该文主要介绍了亲和性的定义，亲和性对性能的影响，最后怎样利用操作系统及硬件支持来充分利用该特性。

引言芯片多处理器（CMP）的已成为当今高性能的多处理器主要形式之一。

对影响性能的关键因素之一便是高速缓存的利用率。

传统的对于高速缓存，每个核心是有自己的私有L1高速缓存，并在同一芯片上所有核心共享的较大二级缓存。

为了提高缓存利用率，我们需要考虑在缓存中的数据重用，在所有核心上共享缓存缓存访问的争夺，和私有缓存间的连贯性缺失率。

亲和性定义：亲和性指进程在给定的cpu或cpu核上运行尽量长的时间而不被转移到别的处理器的倾向性。

在Linux里，内核进程调度器天生就具有软亲和性（soft affinity）的特性，这意味着进程通常不会在处理器或者内核之间频繁迁移。

这种情况是我们希望的，因为进程迁移的频率低意味着产生的负载小，具有更好的性能表现。

在对称多处理(SMP)上，操作系统的进程调度程序必须决定每个CPU上要运行哪些进程。

这带来两项挑战：调度程序必须充分利用所有处理器，避免当一个进程已就绪等待运行，却有一个CPU核心闲置一旁，这显然会降低效率。

然而一个进程一旦被安排在某个CPU核心上运行，进程调度程序也会将它安排在相同的CPU核心上运行。

这会使性能更好，因为将一个进程从一个处理器迁移到另一个处理器是要付出性能代价的。

一般进程会在相同的核或CPU上运行，只会在负载极不均衡的情况下从一个核移往另一个核。

这样可以最小化缓存区迁移效应，同时保证系统中处理器负载均衡。

亲和性程序性能的影响多核处理器的处理器与处理器之间的cache亲和力是通过观察缓存方面积累了一定的进程的状态，即数据或指令后才进行考察的。