计算机组成原理cache课程报告

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计算机组成原理cache课程报告

计算机组成原理课程报告学号：班级：姓名：Cache的发展历程及应用在计算机组成原理课学过Cache之后我才发现原来我对Cache了解的如此之少，以前在买电脑时经常看到一级缓存、二级缓存和三级缓存，然而当时并不懂这是什么东西，现在学过Cache 之后才知道了缓存在电脑中的地位.原来Cache在提高计算机速度方面有如此大的作用。

那么就让我们来了解一下Cache的发展历程。

经过我查资料得知,Cache一词来源于法语，其原意是“藏匿处，隐秘的地方”,而自从被应用于计算机科学之后，就已经成为了英语中的一个计算机体系结构专有名词。

Sun Microsystems 的前首席科学家Billy Joy，作为BSD unix，csh，vi,NFS，java，TCP/IP等的发明者，他曾经说过，在计算机科学领域，如果没有了cache的发明，其他的一切发明都将失去意义。

而正是他，将给予分页的虚拟内存系统引入了Unix,影响了之后所有的新操作系统开发。

Cache的出现正是为了解决CPU日益增长的核心时钟频率以及系统主内存日益落后的速度之间的矛盾①。

这就是Cache解决的主要问题。

那么，这个问题是怎样显现出来以及Cache是如何出现的呢？纵观PC系统和CPU二十年的发展，随着半导体加工工艺水平的不断提高,集成电路技术的不断进步，导致生产成本不断降低，CPU的功能不断增强，运算速度越来越快，CPU和存储器的性能都有了很大的提高。

CPU频率的提高，必然要求系统中存储器的存取速度要提高，还要求其容量要增大。

主存储器DRAM容量的提高还是比较快的，但是DRAM读取时间的提高却很慢。

从而在速度上与CPU主频的提高产生了极不相配的情况,这样会影响整个系统的性能.二十年来,CPU 设计的问题之一就是解决高速CPU和低速DRAM之间的平衡或匹配问题，以求系统性能的整体提高。

在它们之间加入高速缓冲存储器Cache，就是这个问题的解决方案之一。

现代cache技术的研究课程设计报告

计算机组成与体系结构课程设计报告题目：现代计算机cache技术的研究学生姓名：谱学号： 10204102班级：10204102指导教师：谌洪茂2013 年1月6日摘要随着集成电路制造技术的持续发展,芯片的集成度和工作速度不断增加,功耗密度显著增大,功耗已经成为计算机系统设计中与性能同等重要的首要设计约束。

在现代计算机系统中,处理器速度远远高于存储器速度,Cache作为处理器与主存之间的重要桥梁,在计算机系统的性能优化中发挥着重要作用,但Cache也占据着处理器的大部分能耗。

处理器及其Cache存储器是整个计算机系统能耗的主要来源,降低其能耗对于优化计算机系统,特别是嵌入式系统,有着重要的意义。

本文主要研究体系结构级的低能耗技术,利用优化Cache结构和动态电压缩放两种技术来实现处理器及其Cache的低能耗。

本文首先详细地分析了低能耗Cache技术的研究现状,将该技术总结为基于模块分割的方法、基于路预测的方法、添加一级小Cache的方法、优化标识比较的方法和动态可重构Cache的方法等五大类,并在此基础上,提出了带有效位预判的部分标识比较Cache、带有效位判别的分离比较Cache、基于程序段的可重构Cache等三种Cache结构。

然后从不同的实现层面分析比较了现有的电压缩放技术及其缩放算法,提出了一种基于程序段的动态电压缩放算法。

最后结合可重构Cache和动态电压缩放技术,提出了一种基于程序段的可重构Cache及处理器电压自适应算法。

本文通过仿真实验证明了上述几种方法的有效性。

本文所取得的研究成果主要有: 1.一种带有效位预判的部分标识比较Cache(PTC-V Cache)。

组相联Cache实现了高命中率,但同时也带来了更多的能耗。

本文针对组相联Cache,提出了一种带有效位预判的部分标识比较Cache,它能够有效地节省Cache中信号放大器和位线的能耗。

结果表明,PTC-V Cache平均能够节省指令Cache中约55%的能耗。

计算机组成原理实验报告_存储系统设计实验

实验四存储系统设计实验一、实验目的本实训项目帮助大家理解计算机中重要部件—存储器，要求同学们掌握存储扩展的基本方法，能设计MIPS 寄存器堆、MIPS RAM 存储器。

能够利用所学习的cache 的基本原理设计直接相联、全相联，组相联映射的硬件cache。

二、实验原理、内容与步骤实验原理、实验内容参考：1、汉字字库存储芯片扩展设计实验1)设计原理该实验本质上是8个16K×32b 的ROM 存储系统。

现在需要把其中一个（1 号）16K×32b 的ROM 芯片用4个4K×32b 的芯片来替代，实际上就是存储器的字扩展问题。

a) 需要4 片4个4K×32b 芯片才可以扩展成16K×32b 的芯片。

b) 目标芯片16K个地址，地址线共14 条，备用芯片12 条地址线，高两位（分线器分开）用作片选，可以接到2-4 译码器的输入端。

c) 低12 位地址直接连4K×32b 的ROM 芯片的地址线。

4个芯片的32 位输出直接连到D1，因为同时只有一个芯片工作，因此不会冲突。

芯片内数据如何分配：a) 16K×32b 的ROM 的内部各自存储16K个地址，每个地址里存放4个字节数据。

地址范围都一样：0x0000～0x3FFF。

b) 4个4K×32b 的ROM，地址范围分别是也都一样：0x000～0xFFF，每个共有4K个地址，现在需要把16K×32b 的ROM 中的数据按照顺序每4个为一组分为三组，分别放到4个4K×32b 的ROM 中去。

HZK16_1 .txt 中的1～4096个数据放到0 号4K 的ROM 中，4097～8192 个数据放到 1 号4K 的ROM 中，8193～12288 个数据放到2 号4K 的ROM 中，12289～16384个数据放到3 号4K 的ROM 中。

c) 注意实际给的16K 数据，倒数第二个4K（8193～12288 个数据）中部分是0，最后4K（12289～16384 数据）全都是0。

电子科技大学中山学院计算机组成原理实验4Cache控制器设计实验

实验四 Cache控制器设计实验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．实验设备PC机一台，TD-CMA实验系统一套。

3．实验原理本实验采用的地址变换是直接映像方式，这种变换方式简单而直接，硬件实现很简单，访问速度也比较快，但是块的冲突率比较高。

其主要原则是：主存中一块只能映像到Cache 的一个特定的块中。

假设主存的块号为B，Cache的块号为b，则它们之间的映像关系可以表示为：b = B mod Cb其中，Cb是Cache的块容量。

设主存的块容量为Mb，区容量为Me，则直接映像方法的关系如图4-1所示。

把主存按Cache的大小分成区，一般主存容量为Cache容量的整数倍，主存每一个分区内的块数与Cache的总块数相等。

直接映象方式只能把主存各个区中相对块号相同的那些块映像到Cache中同一块号的那个特定块中。

例如，主存的块0只能映像到Cache 的块0中，主存的块1只能映像到Cache的块1中，同样，主存区1中的块Cb（在区1中的相对块号是0）区0区1区M e-1主存储器图4-1 直接相联映像方式也只能映像到Cache的块0中。

根据上面给出的地址映像规则，整个Cache地址与主存地址的低位部分是完全相同的。

直接映像方式的地址变换过程如图4-2所示，主存地址中的块号B与Cache地址中的块号b是完全相同的。

同样，主存地址中的块内地址W与Cache地址中的块内地址w也是完全相同的，主存地址比Cache地址长出来的部分称为区号E。

区表存储器图4-2 直接相联地址变换在程序执行过程中，当要访问Cache 时，为了实现主存块号到Cache 块号的变换，需要有一个存放主存区号的小容量存储器，这个存储器的容量与Cache 的块数相等，字长为主存地址中区号E 的长度，另外再加一个有效位。

在主存地址到Cache 地址的变换过程中，首先用主存地址中的块号去访问区号存储器（按地址访问）。

计算机组成原理课程设计总结报告[优秀范文5篇]

计算机组成原理课程设计总结报告[优秀范文5篇]第一篇：计算机组成原理课程设计总结报告大庆师范学院计算机组成原理课程设计总结报告设计题目：基本模型机的模拟设计与实现子题目：外部中断控制流水灯、蜂鸣器学生姓名：院别：专业：班级：学号：指导教师:2011 年 7 月 5日大庆师范学院课程设计任务书题目基本模型机的模拟设计与实现主要内容：对基本模型机的设计与实现，能够自己设计机器指令并且能够翻译为微程序，并能将机器指令和微程序分别打入模拟机的内存和控制存储其中，并通过程序调试能将所编写的程序正确运行。

参考资料：《计算机组成原理》唐朔飞著《计算机组成原理》白中英著《计算机组成原理实验指导》完成期限：一周指导教师签名：2011年 7 月5日大庆师范学院本科毕业论文（设计）大庆师范学院本科毕业论文（设计）目录一、设计目标 (1)二、采用设备 (1)三、设计的原理 (1)3.1 单片机..............................................................................1 3.2中断方式...........................................................................2 3.3实现控制LED 和蜂鸣器的原理 (3)四、逻辑电路图 (3)4.1LED小灯原理图..................................................................... 3 4.2扬声器原理图..................................................................... 3 4.3单片机的独立按键原理图 (4)五、程序代码...........................................................................4 5.1C语言的特点及选择...............................................................4 5.2 程序代 (5)六、调试情况 (5)6.1在keil环境下，编写外部中断的程序…………………………………6 6.2软件调试的步骤 (6)七、心得体会 (6)八、参考文献 (7)大庆师范学院本科毕业论文（设计）摘要：本文介绍了在89c51单片机系统中设计外部中断流水灯、蜂鸣器的一种方法。

计算机组成原理实验报告-Cache模拟器的实现

计算机组成原理实验报告-Cache模拟器的实现实验内容：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。

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256KB 8 Byte 直接映射------ -------64KB 32 Byte 4路组相联 LRU -------64KB 32 Byte 4路组相联随机--------8KB 64 Byte 全相联 LRU ---------4、读取cache-traces.zip中的trace文件。

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。

思考：1、Cache的命中率与其容量大小有何关系？2、Cache块大小对不命中率有何影响？3、替换算法和相联度大小对不命中率有何影响？实验步骤与预习：实验步骤：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。

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。

4、读取cache-traces.zip中的trace文件。

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。

预习：Cache:高速缓冲存储器高速缓冲器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片（SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。

Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。

目的是提高CPU对存储器的访问速度。

工作机制：主要由三大部分组成：Cache存储器：存放由主存调入的指令与数据块。

地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

替换部件：在缓存已满时按照一定的策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

实验结果：一般而言，cache用量越大，其cpu命中率越高，当然容量也没必要太大，当cache 容量达到一定的值时，命中率不因容量的增大而有明显的提高。

计组实验报告

计组实验报告【实验名称】：基于MIPS的Cache设计与实现【实验目的】：通过设计、模拟和测试基于MIPS的Cache，理解和掌握Cache的基本原理和实现方法，加深对计算机组成原理的理解和应用。

【实验设备】：Xilinx ISE Design Suite 14.7、Verilog HDL仿真工具、Mars模拟器。

【实验原理】Cache是计算机系统中重要的存储器层次结构，它可以提高访问速度，降低访问延迟。

Cache是一种由高速存储器和控制电路组成的存储器，它的作用是缓存主存中最近使用过的指令和数据，当下一次需要使用这些指令和数据时，可以直接从Cache中获取，而不需要访问主存，从而提高访问速度。

计算机系统中的Cache存储器既可以用硬件实现，也可以用软件实现。

MIPS Cache包括指令Cache和数据Cache两个部分。

指令Cache用于存储CPU需要的指令，而数据Cache用于存储CPU需要的数据。

Cache中的每一个存储块叫做一个Cache 行，每一个Cache行包括若干字块，每一个字块包括若干字节。

Cache行的大小一般是2^n 个字节。

Cache使用一种叫做Cache命中的技术，通过判断当前CPU需要的数据是否在Cache中来确定是否需要访问主存。

如果当前CPU需要的数据在Cache中，则称为Cache命中，可以直接从Cache中获取数据；如果当前CPU需要的数据不在Cache中，则称为Cache未命中，需要从主存中获取数据。

Cache有三种常见的替换算法：随机替换算法、先进先出（FIFO）替换算法和最近最少使用（LRU）替换算法。

随机替换算法是最简单的方法，它实现起来比较简单，但是效率不高。

FIFO替换算法是一种比较简单的替换算法，它在实现的时候需要维护一个队列来保证替换最早进入Cache的数据，但是这种算法无法适应程序的访存局部性。

LRU替换算法是一种比较复杂的替换算法，它需要维护一个使用时间序列来记录各数据块被使用的时间，当需要替换时，选择使用时间最旧的数据块替换掉。

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。

计算机组成原理课程实习报告

计算机组成原理课程实习报告一、实习目的计算机组成原理是计算机科学与技术专业的核心基础课程之一，通过本次实习，旨在加深对计算机组成原理的理解，将理论知识与实际操作相结合，提高自己的动手能力和解决问题的能力。

二、实习环境本次实习使用的硬件平台是_____计算机，软件环境包括_____操作系统和相关的编程工具。

三、实习内容1、运算器的设计与实现了解运算器的基本功能和组成结构，包括算术逻辑单元（ALU）、寄存器等。

使用硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）设计并实现一个简单的运算器，能够进行加法、减法、乘法和除法运算。

对设计的运算器进行功能仿真和时序仿真，验证其正确性。

2、存储器的设计与实现学习存储器的分类和工作原理，如随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

设计并实现一个简单的静态随机存取存储器（SRAM），包括存储单元、地址译码器和读写控制电路。

编写测试程序，对存储器进行读写操作，并检查数据的正确性。

3、控制器的设计与实现研究控制器的工作机制，包括指令译码、时序控制和微操作控制等。

采用有限状态机（FSM）的方法设计一个简单的控制器，能够执行几条特定的指令。

对控制器进行功能验证，确保其能够正确地控制计算机的运行。

4、计算机整机的搭建与调试将设计好的运算器、存储器和控制器集成在一起，构建一个简单的计算机系统。

编写简单的程序，在搭建的计算机系统上运行，并观察结果。

对整个系统进行调试，查找并解决可能出现的问题。

四、实习过程1、运算器的设计首先，根据运算器的功能需求，确定需要实现的运算操作和相应的电路结构。

然后，使用硬件描述语言编写代码，实现 ALU 的功能。

在实现过程中，需要仔细考虑各种运算的优先级和进位等问题。

完成代码编写后，使用仿真工具进行功能仿真，输入不同的操作数和运算类型，检查输出结果是否正确。

2、存储器的设计对于存储器的设计，先确定存储单元的容量和组织结构。

设计地址译码器，将输入的地址转换为对应的存储单元选择信号。

cache实验报告

cache实验报告Cache实验报告一、引言计算机系统中的缓存（Cache）是一种用于提高数据访问速度的技术。

通过在CPU与主存之间插入一个高速缓存存储器，可以减少CPU等待主存数据的时间，从而提高系统的整体性能。

本实验旨在通过实际操作，深入了解并掌握Cache的工作原理。

二、实验目的1. 了解Cache的基本概念和工作原理；2. 学习Cache的组织结构和映射方式；3. 掌握Cache的读写操作流程；4. 分析Cache的命中率和访问延迟。

三、实验环境本实验使用Intel Core i7处理器和8GB内存的计算机。

四、实验步骤1. 确定实验所需的Cache参数，包括Cache大小、Cache块大小和关联度等；2. 设计并编写测试程序，用于模拟不同的内存访问模式；3. 运行测试程序，并记录Cache的读写命中次数和访问延迟；4. 分析实验结果，计算Cache的命中率和平均访问延迟。

五、实验结果与分析1. Cache命中率根据实验数据统计，我们可以计算出Cache的命中率。

命中率是指在所有内存访问中，Cache能够直接从Cache中读取数据的比例。

通过调整Cache的大小和关联度等参数，可以观察到命中率的变化。

实验结果表明，增加Cache的大小和提高关联度可以显著提高命中率。

2. 访问延迟访问延迟是指从CPU发出内存读写请求到实际完成读写操作所需的时间。

通过实验测量，我们可以得到不同访问模式下的平均访问延迟。

实验结果显示，随着Cache大小的增加，访问延迟逐渐减少。

这是因为Cache能够更快地响应CPU的读写请求，减少了CPU等待主存数据的时间。

3. 性能优化通过实验结果的分析，我们可以发现一些性能优化的方法。

首先，合理设置Cache的大小和关联度，可以提高命中率和降低访问延迟。

其次，采用合适的替换算法（如LRU）可以减少缓存失效的次数，提高Cache的效率。

此外，程序的空间局部性和时间局部性对Cache的性能也有重要影响，优化算法和数据结构可以提高程序的局部性，从而提高Cache的命中率。

cache性能分析实验报告

计算机系统结构实验报告名称： Cache性能分析学院：信息工程*名：**学号：S******专业：计算机系统结构年级：研一实验目的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.了解Cache的容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；3.掌握降低Cache失效率的各种方法，以及这些方法对Cache性能提高的好处；4.理解Cache失效的产生原因以及Cache的三种失效；5.理解LRU与随机法的基本思想，及它们对Cache性能的影响；实验平台Vmware 虚拟机，redhat 9.0 linux 操作系统，SimpleScalar模拟器实验步骤1.运行SimpleScalar模拟器；2.在基本配置情况下运行程序（请指明所选的测试程序），统计Cache总失效次数、三种不同种类的失效次数；3.改变Cache容量（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache容量对Cache性能的影响；4.改变Cache的相联度（1路，2路，4路，8路，64路），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析相联度对Cache性能的影响；5.改变Cache块大小（*2，*4，*8，*64），运行程序（指明所选的测试程序），统计各种失效的次数，并分析Cache块大小对Cache性能的影响；6.分别采用LRU与随机法，在不同的Cache容量、不同的相联度下，运行程序（指明所选的测试程序）统计Cache总失效次数，计算失效率。

分析不同的替换算法对Cache性能的影响。

预备知识1. SimpleScalar模拟器的相关知识。

详见相关的文档。

2. 复习和掌握教材中相应的内容（1）可以从三个方面改进Cache的性能：降低失效率、减少失效开销、减少Cache命中时间。

（2）按照产生失效的原因不同，可以把Cache失效分为三类：①强制性失效（Compulsory miss）当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。

实验5 Cache实验

深圳大学实验报告课程名称：计算机系统(2)实验项目名称：Cache实验学院：计算机与软件学院专业：计算机与软件学院所有专业指导教师：罗秋明报告人：学号：班级：实验时间：2017年6月6日实验报告提交时间：2017年6月9日教务处制一、实验目标：了解Cache对系统性能的影响二、实验环境：1、个人电脑（Intel CPU）2、Fedora 13 Linux 操作系统三、实验内容与步骤1、编译并运行程序A，记录相关数据。

2、不改变矩阵大小时，编译并运行程序B，记录相关数据。

3、改变矩阵大小，重复1和2两步。

4、通过以上的实验现象，分析出现这种现象的原因。

程序A：#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);} //ifsize=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.%6ld seconds\n",_sec,_usec);} //forreturn(0);}//main程序B：#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);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];} //forgettimeofday(&time2,NULL);_sec-=_sec;_usec-=_usec;if(_usec<0L){_usec+=1000000L;_sec-=1;}printf("Executiontime=%ld.%6ld seconds\n",_sec,_usec);}//forreturn(0);}四、实验结果及分析1、用C语言实现矩阵（方阵）乘积一般算法（程序A），填写下表：分析：由下图1，可得到上表的结果，程序主要代码如下所示，对二维数组b是跳跃的，类似下表1的访问顺序，这样导致了程序的空间局部性很差：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];}表1图22、程序B是基于Cache的矩阵（方阵）乘积优化算法，填写下表：分析：由下图4可以得到上表的数据，由下面主要代码可知，优化后的代码访问数组b的顺序类似下图3，这样相对程序A对cache的命中率大大得到了提高：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];} //for表2以下图说明为什么程序B的空间局部性好：图43、优化后的加速比（speedup）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，就是优化前的耗时与优化后耗时的比值。

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。

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\’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。

(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。

cache控制器设计实验课程设计

cache控制器设计实验课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生理解Cache控制器的基本原理和功能，掌握Cache的工作流程和设计要点。

2. 使学生掌握Cache映射技术和替换策略，并能分析其优缺点。

3. 帮助学生了解Cache性能评估指标，学会使用相关工具进行性能分析。

技能目标：1. 培养学生运用所学知识进行Cache控制器设计的能力，能够完成简单的Cache控制器电路搭建和调试。

2. 提高学生运用相关软件工具进行Cache性能分析和优化方案设计的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机组成原理和硬件设计的兴趣，激发学生的创新意识和探索精神。

2. 培养学生良好的团队协作精神，提高沟通与表达能力。

3. 引导学生认识到Cache技术在我国计算机产业发展中的重要性，增强学生的国家使命感和责任感。

课程性质分析：本课程为计算机组成原理与设计领域的实验课程，以Cache控制器设计为主题，结合理论知识，培养学生的实践能力和创新能力。

学生特点分析：学生具备一定的计算机组成原理知识，具有一定的编程和硬件基础，但对Cache控制器设计的相关知识掌握不足，需要通过本课程进行深入学习。

教学要求：1. 结合理论知识，注重实践操作，提高学生的动手能力。

2. 引导学生主动探索，培养学生的创新思维。

3. 强化团队合作，锻炼学生的沟通与协作能力。

4. 注重过程评价，关注学生的学习成果和素质提升。

二、教学内容1. Cache基础知识回顾：介绍Cache的概念、作用，以及Cache与主存、CPU的关系。

相关教材章节：第一章计算机系统概述2. Cache控制器设计原理：讲解Cache控制器的基本组成、工作原理，重点介绍Cache映射技术、替换策略和写策略。

相关教材章节：第三章存储系统3. Cache控制器设计方法：介绍Cache控制器的设计流程，包括电路设计、仿真和验证等环节。

相关教材章节：第六章数字电路设计4. Cache性能评估：讲解Cache性能指标，如命中率、缺失率等，介绍性能评估方法和工具。

计算机组成原理课程报告

计算机组成原理课程报告姓名：阿力木江·阿地力学号：913106840549班级：913065802近代缓存优化技术的可能性关键词：缓存原理，缓存现状，降低性能的问题研究背景CPU是计算机的三大核心部件之一， CPU很小巧却是整个计算机的运算核心和控制核心。

用通俗的比喻来解释就是相当于人的大脑。

它的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。

对于一台计算机而言CPU性能的好坏直接决定着整个计算机的运行。

为了解决CPU运算速度与内存读写速度不匹配的矛盾，CPU高速缓存能够充分利用指令和数据的局部性特征,提前将所需的指令和数据放至高速的缓存设备来减小访存延迟。

一般来说存容量越大，性能也就越高，一般CPU的缓存分为内部缓存(LI Cache)和外部缓存(L2 Cache)。

封闭在CPU芯片内部的高速缓存，用于暂时存储CPU运算时的部分指令和数据，存取速度与CPU主频一致，L1缓存的容量单位一般为KB。

外部缓存(L2 Cache)：CPU外部的高速缓存，Pentium Pro处理器的L2和CPU运行在相同频率下的缓存，但成本昂贵，所以Pentium II 运行在相当于CPU频率一半下的缓存。

内部缓存越大，CPU工作时与存取速度较慢的外部缓存和内部缓存间交换数据的次数越少，相对电脑的运算速度可以提高。

L1高速缓存与CPU同步运行，其缓存容量大小对CPU的性能影响较大。

L2高速缓存也称为二级高速缓存(L2Cache)的容量和频率对CPU的性能影响也较大，其作用就是协调CPU的运行速度与内存存取速度之间的差异。

L2高速缓存是CPU晶体管总数中占得最多得一部分，由于L2高速缓存的成本很高，因此L2高速缓存得容量大小一般用来作为高端和低端CPU产品得分界标准。

[1]研究现状随着CPU制造工艺的发展，二级缓存也能轻易的集成在CPU内核中，容量也在逐年提升。

用集成在CPU内部与否来定义一、二级缓存，已不确切。

北科大计组原理实验报告_简单模型机与Cache控制器

北京科技大学计算机与通信工程学院实验报告实验名称：简单模型机与Cache控制器学生姓名：专业：计算机科学与技术班级：学号：指导教师：实验成绩：实验地点：机电楼301实验时间：2015 年 6 月10 日一、实验目的与实验要求1、实验目的（1）掌握一个简单CPU 的组成原理。

（2）在掌握部件单元电路的基础上，进一步将其构造一台基本模型计算机。

（3）为其定义五条机器指令，编写相应的微程序，并上机调试掌握整机概念。

（4）掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。

（5）熟悉FPGA应用设计及EDA 软件的使用。

（6）熟悉QuartusII软件的使用及FPGA应用设计。

2、实验要求（1）验证性实验：简单模型机设计实验（2）掌握cache控制器的原理和方法二、实验设备（环境）及要求实验箱，Window 8，QuartusⅡ软件三、实验内容与步骤1、实验1（1）实验原理本实验要实现一个简单的CPU，并且在此CPU的基础上，继续构建一个简单的模型计算机。

CPU由运算器（ALU）、微程序控制器（MC）、通用寄存器（R0），指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）和地址寄存器（AR）组成，如图3.32所示。

这个CPU在写入相应的微指令后，就具备了执行机器指令的功能，但是机器指令一般存放在主存当中，CPU必须和主存挂接后，才有实际的意义，所以还需要在该CPU的基础上增加一个主存和基本的输入输出部件，以构成一个简单的模型计算机。

本模型机共有五条指令：IN（输入）、ADD（二进制加法）、OUT（输出）、JMP（无条件转移），HLT（停机），其指令格式如下表3.12所示（高4位为操作码）：其中，JMP为双字节指令，其余均为单字节指令，********为addr对应的二进制地址码。

微程序控制器实验的指令是通过手动给出的，现在要求CPU自动从存储器读取指令并执行。

（2）实验步骤CPU采用微程序控制器作为控制器构建的简单模型机实验步骤如下：①写入实验程序，并进行校验，分两种方式，手动写入和联机写入。

cache实验报告

cache实验报告《cache实验报告》在计算机科学领域中，cache（缓存）是一种用于存储临时数据的高速存储器，用于加快数据访问速度。

在本次实验中，我们对cache进行了一系列的实验，以探究其对计算机系统性能的影响。

首先，我们设计了一个简单的计算机系统模型，包括CPU、内存和cache。

我们使用了不同大小和结构的cache，并对其进行了性能测试。

通过比较不同cache结构下的数据访问速度和命中率，我们发现了cache大小和关联度对性能的影响。

较大的cache和更高的关联度可以显著提高数据访问速度和命中率，从而提升整个系统的性能。

接着，我们对cache的替换策略进行了实验。

我们比较了最常见的替换策略，如LRU（最近最少使用）、FIFO（先进先出）和随机替换。

通过实验结果，我们发现不同的替换策略会对cache的性能产生显著影响。

在某些情况下，合适的替换策略可以提高cache的命中率，从而提高系统的整体性能。

最后，我们对cache的一致性和一致性维护进行了实验。

我们测试了不同的一致性协议，如MESI（修改、独占、共享、无效）协议和MOESI（修改、独占、共享、无效、所有者）协议。

通过实验，我们发现一致性协议的选择对cache的性能和系统的稳定性有着重要影响。

合适的一致性协议可以有效减少数据访问的冲突和错误，提高系统的可靠性和性能。

综上所述，本次实验对cache进行了全面的性能测试和分析，探究了cache对计算机系统性能的影响。

通过实验结果，我们得出了一些重要结论，为优化计算机系统性能提供了重要的参考和指导。

希望本次实验结果能够对相关领域的研究和应用产生积极的影响。

计算机组成原理cache课程报告