计算机组成原理之Cache模拟器的实现

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Cachesim

2.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。

（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？

（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：

8 16 32 64 128 Cache块容

量

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：