Cache模拟器实验报告

Cache模拟器

一、实验目标：

程序运行时，都会对内存进行相关操作，所访问的内存地址可以被记录下来，形成memory trace文件。在本实验中，你将使用benchmark 程序产生的memory trace文件来测试Cache命中率，文件可以在/classes/fa07/cse240a/proj1-traces.tar.gz上获得。每次存储器访问都包含了三个信息：

1.访问类型，’l’表示Load操作，’s’表示Store操作；

2.地址。采用32位无符号的十六进制表示；

3.存储器访问指令之间的间隔指令数。例如第5条指令和第10条指

令为存储器访问指令，且中间没有其他存储器访问指令，则间隔指令数为4。

通过写一段程序，模拟Cache模拟器的执行过程。

二、实验要求：

写一段程序模拟Cache模拟器的执行过程，并对5个trace文件进行测试，完成以下目标：

1.请统计Load类型指令和Store类型指令在这5个trace文件中的指令比例。

2.设Cache总容量为32KB，对以下所有参数进行组合（共有72种组合），测量相应5个文件的Cache命中率。通过对命中率的分析，可以发现什么规律。

行大小：32字节、64字节、128字节

相连度：8路相联、4路相联、2路相联、1路相联

替换策略：FIFO，随机替换，LRU

写策略：写直达、写回

3. 给出5个文件的最佳Cache命中率的参数组合。针对不同的trace 文件，最佳配置是否相同。

4. 测量各种组合下Cache和主存之间的数据传输量。

5. 给出5个文件的最小数据传输量的参数组合。这个组合和第3问中得到的组合是否一致。针对不同的trace文件，最佳配置是否相同。

6. Cache缺失有三种原因：1）强制缺失；2）容量缺失；3）冲突缺失。分析这三种缺失并说明你的分析方法。

7. 请给出5个trace文件在最优Cache命中率的情况下，这三种缺失所占的比例，并和教材图C.8给出的比例进行比较。

三、程序设计与实现：

本程序我打算采用java进行编写，因为java能够很好地体现面向对象编程的优点。首先需要定义相关的数据类型。

将指令定义为一个单独的指令类，好方便操作和记录统计，其中属性包括该指令的类型，比如是Load指令还是Store指令，还包括指令的地址。

class Instruction {

String type;

String addrs;

}

将Cache定义为一个类，Cache中的字段包括Tag标识字段，用于查找到相应组后进行比较看是否命中。Dirty字段用于写回策略中判断是否数据已经被修改了，如果修改了则在置换的时候需要写回，在统计Cache与主存的数据传输量时需要用到。最后一个字段是count，该字段用于记录该Cache块最近被访问的频度，用于组相连时LRU替换策略时判断哪个块最长时间没被访问到。

class Cache {

int tag;

int dirty;

int count;

}

最后定义一个Cache模拟器类。用一个二维数组来模拟Cache，因为二维数组可以很好地表示组相连Cache，而直接相连和全相联Cache都是组相连的特殊情况，当第一维为1时，表示全相连Cache，当第二维为1时，表示直接相连Cache。

public class CacheSimulator {

public long size;// Cache大小

public int line_size;// 块大小

public int set_associativity;// 相联度

public static long set_count;// 组数

public int[] set_indexs;// 用于FIFO中记录需替换的块号

public Cache[][] caches;

public static ArrayList instrs= new ArrayList();

public static HashSet compulsory= new HashSet();// 记录强制缺失

public static long conflict;// 记录冲突缺失

public boolean write_method = false;//false表示写回，true表示写直达

public int replace_method = 0;// 0为Random，1为FIFO，2为LRU

public static HitRationType[] hitRations= new HitRationType[72];

public static int communication_times;

Random rand = new Random(set_associativity);// 用于随机替换策略

static int offset = 0;

static int read_misses = 0, read_hits = 0;

static int reads = 0;

static int write_misses = 0, write_hits = 0;

static int writes = 0;

static int others = 0;

static int totals = 0;

接下来需要定义几个辅助方法，首先第一个是readFile（）方法，通过读入trace文件来将数据提取出来，保存到指令list中，同时统计读操作和写操作的指令数目，以及总的指令数目。具体如下所示：

static void readFile(String path) throws IOException { File file = new File(path);

BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader( new FileInputStream(file)));

String s;

String sts[];

while ((s = br.readLine()) != null) {

sts = s.split(" ");

Instruction inst = new Instruction();//将数据保存到指令类中

if (sts[0].endsWith("l")) {//统计指令类型数目

reads++;

inst.type = "l";

} else {

writes++;

inst.type = "s";

}

inst.addrs = sts[1];

others += Integer.parseInt(sts[2]);

instrs.add(inst);

String tmp = "" + getIndex(inst.addrs);

compulsory.add(tmp);

}

totals = reads + writes + others;

br.close();

}

定义一个函数getIndex（）和getTag（），输入一个十六进制的指令，然后分别返回其对应的索引字段和Tag字段。要求索引字段和Tag 字段，首先得分别算出地址中tag字段、索引字段和块内偏移字段的位数，而这与Cache的映射策略、Cache的大小以及块大小有关。