Cache控制器设计实验
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：信息工程姓名：学号：S121055专业：计算机系统结构年级：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。
8 VxWorks操作系统Cache试验
#elif defined(CPU_940T) || defined(CPU_940T_T) mmuArm940tLibInstall (NULL, NULL);
三 实验步骤
1. 参照实验 2 和实验 3 下载编译生成的 VxWorks 映象文件，在 VxWorks 的 Target Shell 中观察启动过程，主要是观察从 go 0x30010000 命令后到启动到 Target Shell 的启动过程所 花费的时间，此时正常应该为 1 秒钟左右。
2. 在实验 2 的工程的组件配置窗口中将 hardware→memory→enable cache 组件使用右键 菜单的 Exclude ‘enable cache’选项将 enable cache 功能去掉。然后重新编译工程并使用 gen bin 工具产生新的映象文件二进制代码。
五 实验报告书编写要点
1. 下载实验 3 中的 VxWorks 操作系统映象的二进制代码，并运行，观察启动时间； 2. 配置内核，去掉 enable cache 组件； 3. 重新下载编译后的内核并运行，观察启动时间，并与 1 的时间进行比较。
六 编程指导内容
VxWorks 的 BSP 中与 Cache 相关的代码主要在什么地方，怎样查找？ 解答：
3. 下载新的映象文件二进制代码到目标板，并运行，观察启动过程，主要是观察从 go 0x30010000 命令后到启动到 Target Shell 的启动过程所花费的时间，此时正常应该为 6 秒钟 左右。速度比第 1 步中的启动过程慢了很多，此时说明 cache 已经关闭。
一种带Cache加速的HyperRAM控制器设计与验证
现代电子技术Modern Electronics TechniqueMar. 2024Vol. 47 No. 62024年3月15日第47卷第6期0 引 言随着嵌入式系统的不断演进，CPU 与内存之间数据交换速率要求越来越高，对存储器接口的要求日益增加[1‐2]。
为满足数据快速传输和处理的需求，新一代存储器技术应运而生，其中包括了备受瞩目的HyperRAM 存储器。
与传统存储器技术相比，HyperRAM 具有更高的读写速度和更低的访问延迟，适用于对数据访问速度要求较高的应用场景，使其成为各种嵌入式系统的理想选择[3‐4]。
然而，在大规模数据处理和频繁读写操作的情况下，HyperRAM 的原始接口可能面临性能瓶颈。
Cache 缓冲作为一种常见的高速存储器，被广泛应用于处理器和系统的设计中[5]，允许暂存频繁读取的数据，从而减少对主存储器的频繁访问，提高数据读写效率和性能。
将Cache 缓冲引入HyperRAM 存储器接口，有望进一步提高对频繁访问的数据的命中率，优化存储器访问模式，从而实现更高速的数据传输和更优化的系统性能[6‐7]。
本文基于HyperRAM 的逻辑功能，设计了一种基于AMBA 总线的HyperRAM 控制器，同时内部设计了高速缓存Cache 模块，以提高读写速率，降低存储器的访问频率。
经测试，所设计的控制器能稳定工作在166 MHz 频率下，同时写入数据与读出数据能够保持一致，数据未出现丢帧、误码现象，系统性能稳定可靠。
1 HyperRAM 控制器的设计图1为本文HyperRAM 控制器设计的总体框图。
HyperRAM 控制器由AHB Interface 模块、APB InterfaceDOI ：10.16652/j.issn.1004‐373x.2024.06.015引用格式：邹敏，鲁澳宇，邹望辉，等.一种带Cache 加速的HyperRAM 控制器设计与验证[J].现代电子技术，2024，47（6）：91‐96.一种带Cache 加速的HyperRAM 控制器设计与验证邹 敏1， 鲁澳宇1， 邹望辉1， 喻 华2(1.长沙理工大学 物理与电子科学学院， 湖南 长沙 410114； 2.广东华芯微特集成电路有限公司， 湖南 长沙 410205)摘 要： 针对目前可穿戴设备上对存储设备性能要求高、体积小、功耗低等问题，在FPGA 上实现了一款可拓展的高性能HyperRAM 控制器，并引入Cache 缓存加速设计，以提高对频繁访问数据的命中率和优化存储器访问模式，实现更高速的数据传输和优化的系统性能。
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。
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。
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。
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。
《计算机体系结构》第六次实验 cache
Cache实验报告姓名：王宇航学号：09283020 安全0901Cache实验报告一、实验要求：1.阅读分析附件模拟器代码要求：1）读懂2）关键注释3）总结关键参数和算法的实现方法2.通过读懂代码加深了解cache的实现技术3.结合书后习题1进行测试4.通过测试和进行实验设计了解参数和算法选择的特点和相互关系（比较，组合等），需要定性和量化结合说明，可以用数字或图表等多种描述手段配合说明。
二、实验代码：1. LRU页面置换算法程序一共有3中模式：Direct_mapped 2 Set_associate 3 Fully_associate对于第一种，直接映射，显然用不到LRU算法，因为每一个地址在cache中只有一个地方可以去。
对于后两种，组相联映射和全相联映射，就需要用到LRU算法了。
其中，全相联映射等于是只有一个set的Set_associate，而LRU正是用在一个set中，所以，后面两种模式的LRU问题可以归结为一种：一个set中，来了一个没有的页面，需要置换出一个，应该置换出哪一个的问题。
那么，具体过程如下：1 这个set中的每一个block都有一个lru值，初始为0。
2 每次访问这个set的时候，不管是否命中，这个set中的所有block的lru值都+1。
3 当需要置换出去一个页面的时候，选择一个lru值最大的那个置换出入，用来放入刚刚进来的。
4 不管是否命中，刚刚访问过的，或者加入的那个block的lru值置为0。
if(x<lru[index][z])//选择lru值最大的一个{x=lru[index][z];y=z;}if(z==((assoc*2)-2))//没有命中时{newarray[index][y+1]=tag; //把lru值最大的替换掉misscount++;c=misstype(blockaddress[j],NOofblock,j);cc=1;for(m=0;m<(assoc*2);m=m+2)//所有的lru值+1lru[index][m]++;lru[index][y]=0;//把lru值最大的替换掉}z=z+2;2. 用于判断缺页类型的算法在程序中，体现了3中缺页的类型：Compulsory Miss：之前没有出现的地址，肯定不会命中Conflict Miss：由于冲突而产生的不命中Capacity Miss：由于容量不足而导致的不命中在函数int misstype(int ba, int nb, int l)中。
cache性能分析及优化实验报告
实验报告实验名称：计算机原理cache性能分析及优化实验学员：张英杰学号： 201008040092 培养类型： 4+1军人年级：任职培训队专业：计算机科学与技术所属学院：计算机学院指导教员：唐玉华职称：研究员实验室：校计算机中心四号院机房实验日期： 2010.12.1—2010.12.19国防科学技术大学训练部制《实验报告》填写说明1．学员完成人才培养方案和课程标准要所要求的每个实验后，均须提交实验报告。
2．实验报告封面必须打印，报告内容可以手写或打印。
3．实验报告内容编排及打印应符合以下要求：（1）采用A4（21cm×29.7cm）白色复印纸，单面黑字打印。
上下左右各侧的页边距均为3cm；缺省文档网格：字号为小4号，中文为宋体，英文和阿拉伯数字为Times New Roman，每页30行，每行36字；页脚距边界为2.5cm，页码置于页脚、居中，采用小5号阿拉伯数字从1开始连续编排，封面不编页码。
（2）报告正文最多可设四级标题，字体均为黑体，第一级标题字号为4号，其余各级标题为小4号；标题序号第一级用“一、”、“二、”……，第二级用“（一）”、“（二）” ……，第三级用“1.”、“2.”……，第四级用“（1）”、“（2）” ……，分别按序连续编排。
（3）正文插图、表格中的文字字号均为5号。
一实验概述（一）实验目的1.掌握Cache的基本概念、基本组织结构2.掌握影响Cache性能的三个指标3.了解相联度对Cache的影响4.了解块大小对Cache的影响5.了解替换算法对Cache的影响6.了解Cache失效的分类及组成情况7.了解一些基本的Cache性能优化方法(选做)（二）实验步骤1.运行模拟器SimpleScalar2.在基本配置情况下运行矩阵乘计算程序统计Cache失效次数，并统计三种不同类型的失效3.改变Cache容量，统计各种失效的次数，并进行分析4.改变Cache的相联度，统计各种失效的次数，并进行分析5.改变Cache块大小，统计各种失效的次数，并进行分析6.改变Cache的替换策略，统计各种失效次数，并分析7.对给出的矩阵乘计算程序进行适当改写以优化cache性能。
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硬件设计实验总结
cache硬件设计实验总结Cache硬件设计实验总结Cache是计算机系统中的一种高速缓存，用于存储最近被访问的数据，以提高计算机系统的性能。
在计算机系统中，CPU访问内存的速度比访问Cache的速度慢得多，因此，Cache的设计对于计算机系统的性能至关重要。
本文将对Cache硬件设计实验进行总结。
实验目的本次实验的目的是设计一个Cache硬件，实现Cache的读写操作，并测试Cache的性能。
具体实验要求如下：1. 设计一个Cache硬件，包括Cache的大小、块大小、组数、替换策略等参数的设置。
2. 实现Cache的读写操作，包括Cache的读取、写入和替换等操作。
3. 测试Cache的性能，包括Cache的命中率、访问时间等指标。
实验过程1. Cache硬件设计在本次实验中，我们设计了一个4KB大小的Cache，块大小为16B，共有256组。
采用的替换策略是LRU（Least Recently Used，最近最少使用）。
具体的Cache硬件设计如下：（1）Cache的地址结构Cache的地址结构包括标记位、组索引和块内偏移量。
在本次实验中，我们采用了直接映射的Cache结构，因此组索引的位数为8位，块内偏移量的位数为4位。
标记位的位数为16-8-4=4位。
（2）Cache的数据结构Cache的数据结构包括标记位、有效位、块内数据和LRU计数器。
标记位用于存储主存地址的高位，有效位用于表示Cache中的数据是否有效，块内数据用于存储主存地址对应的数据，LRU计数器用于记录Cache中每个块的使用情况。
2. Cache的读写操作Cache的读写操作包括Cache的读取、写入和替换等操作。
具体的操作流程如下：（1）Cache的读取操作当CPU需要读取主存中的数据时，首先会查询Cache中是否存在该数据。
如果存在，则直接从Cache中读取数据；如果不存在，则从主存中读取数据，并将数据存储到Cache中。
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。
一种基于 Cache 机制的嵌入式 Flash 控制器设计
一种基于 Cache 机制的嵌入式 Flash 控制器设计曹健;李凌浩;黄雅东;吴中海;张兴【摘要】嵌入式 Flash（eFlash）在 SoC 中的运用日益广泛，而 Flash 较慢的读取速度与处理器高频取指之间的矛盾愈发突出。
针对该问题，在 Flash 控制器中引入 Cache 机制，并运用组相联映射、优化的“最近最少使用”LRU（Least Recently Used）替换算法、流水预填充结构对 Cache 进行多方面优化。
与未加入 Cache 机制的 Flash 控制器相比，加入 Cache 机制的 Flash 控制器可使处理器取指时间节省38％。
%Embedded Flash (eFlash)is widely used in SoC,but the contradiction became more prominent between the flash slow reading speed and the processor high-frequency fetch.To solve the problem,we introduce the cache mechanism in the flash controller,and use set-associative mapping,optimized LRU (Least Recently Used) replacement algorithm and pre-fetching structure to optimize the cache. Compared with the flash controller without cache,the flash controller with cache can enable the processor to take the time to save 38%.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2016(033)008【总页数】4页(P238-241)【关键词】嵌入式 Flash;Cache;组相联映射;LRU;流水预填充【作者】曹健;李凌浩;黄雅东;吴中海;张兴【作者单位】北京大学软件与微电子学院北京 100871; 北京大学信息科学技术学院北京 100871;北京大学软件与微电子学院北京 100871;北京大学软件与微电子学院北京 100871;北京大学软件与微电子学院北京 100871;北京大学软件与微电子学院北京 100871; 北京大学信息科学技术学院北京 100871【正文语种】中文【中图分类】TP3嵌入式Flash(eFlash)是一种和传统CMOS工艺相兼容，内嵌于芯片内部的非易失性存储器。
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. 学生理解2路组相连Cache的基本原理，掌握其数据存储和访问机制。
2. 学生掌握Cache的映射方式，能解释2路组相连映射的特点及其优势。
3. 学生能够运用Cache概念，计算出命中率和缺失率，理解其性能指标。
技能目标：1. 学生具备设计和实现2路组相连Cache的能力，能够使用相关工具或软件模拟其工作过程。
2. 学生能够分析Cache性能，针对给定场景提出优化策略，提高存储系统的效率。
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，增强其对硬件基础知识的重视。
2. 学生通过小组合作完成任务，培养团队协作能力和沟通技巧，提高解决问题的信心和自主学习能力。
3. 学生能够认识到存储技术在实际应用中的重要性，激发对相关领域技术发展的关注和探索精神。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业课程，以理论讲授与实践操作相结合的方式展开。
学生特点：学生已具备一定的计算机硬件基础知识，具有较强的逻辑思维能力和动手操作能力。
教学要求：结合课程性质和学生特点，通过本课程的学习，使学生在理解理论知识的基础上，能够独立设计和实现2路组相连Cache，提高其解决实际问题的能力。
同时，注重培养学生的团队协作和情感态度价值观，为后续相关课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. Cache基本概念与原理- Cache的作用与意义- Cache的分类与结构- 2路组相连Cache的存储原理2. Cache映射方式- 直接映射、全相连映射与组相连映射- 2路组相连映射的特点与优势- 映射策略对Cache性能的影响3. Cache性能分析- 命中率与缺失率的计算- Cache性能指标：访问时间、带宽等- 影响Cache性能的因素4. 2路组相连Cache设计- 设计原理与步骤- Cache容量、块大小和组数的选取- 地址映射与替换策略5. Cache优化策略- 降低缺失率的策略- 提高命中率的策略- 性能优化案例分析6. 实践操作- 使用工具或软件模拟2路组相连Cache- 设计和实现2路组相连Cache，并分析性能- 针对给定场景，提出并实施优化策略教学内容安排与进度：本教学内容分为6个部分，按照教材章节顺序进行。
实验五 Cache模拟器
主存由2n个可编址的字组成，每个字有惟一的n位地址。
为了与映射，将主存与缓存都分成若干块，每块内又包含若干个字，小相同(即块内的字数相同)。
这就将主存的地址分成两段:高它主要由 Cache存储体、地址映射变换机构、 Cache替换机构几大模块组成。
①Cache存储体：以块为单位与主存交换信息，为加速 Cache与主存之间的调动，主存大多采用多体结构，且 Cache访存的优先级最高。
②地址映射变换机构：是将CPU送来的主存地址转换为 Cache地址。
由于主存和 Cache的块大小相同，块内地址都是相对于块的起始地址的偏移量(即低位地址相同)，因此地址变换主要是主存的块号(高位地址)与 Cache块号间的转换。
而地址变换又与主存地址以什么样的函数关系映射到 Cache中(称为地址映射)有关，这些内容可详见4.3.2节。
如果转换后的 Cache块已与CPU欲访问的主存块建立了对应关系，即已命中，则CPU可直接访问 Cache存储体。
如果转换后的 Cache块与CPU欲访问的主存块未建立对应关系，即不命中，此刻CPU在访问主存时，不仅将该图中每个主存块只与一个缓存块相对应，映射关系式为：总之，这种方式所需的逻辑电路甚多，成本较高，实际的 Cache还要采用各种措施来减少地处的比较次数。
组相联映射组相联映射是对直接映射和全相联映射的一种折中。
它把 Cache分为每组有R块，并有以下关系：i=ｊ mod Q其中，ｉ为援存的组号，ｊ为主存的块号。
某一主存块按模Q将其映射到缓存的第ｉ组内，如图4.56所示。
组相联映射的主存地址各段与直接映射(参见图4.54)相比，还是有区别的。
图4.54 Cache字块地址字段由c位变为组地址字段q位，且q＝C-r，其中2ｃ表示 Cache的总块数，2ｑ表示 Cache的分组个数，2ｒ表示组内包含的块数。
主存字块标记字段由t 位变为ｓ＝ｔ+r位。
为了便于理解，假设c＝5，q＝4，则r＝c-ｑ＝1。
Cache控制器设计实验
实验3 Cache 控制器设计1．实验目的(1) 掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。
(2) 熟悉FPGA应用设计及EDA 软件的使用。
(3) 熟悉Vivado软件的使用及FPGA应用设计。
2．实验原理Cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，包括管理在内的全部功能由硬件实现，对程序员是透明的，在一定程度上解决了CPU和主存之间的速度差异。
与主存容量相比，Cache的容量很小，它保存的内容只是内存内容的一个子集，且Cache与主存的数据交互以块为单位。
把主存中的块放到Cache中时必须把主存地址映射到Cache中，即确定位置的对应关系，并采用硬件实现，以便CPU给出的访存地址能够自动变换成Cache地址。
由于程序访问的局部性，使得主存的平均读出时间接近Cache的读出时间，大大提高了CPU的访存效率。
地址映射方式有全相联方式、直接相联方式、组相联方式，本实验采用的是直接方式，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：主存中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。
假设主存的块号为B，Cache的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示为：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，则直接映象方法的关系如图3.19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象到Cache中同一块号的那个特定块中。
例如，主存的块0只能映象到Cache 的块0中，主存的块1只能映象到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）也只能映象到Cache 的块0中。
根据上面给出的地址映象规则，整个Cache 地址与主存地址的低位部分是完全相同的。
图1直接相联映像方式直接映象方式的地址变换过程如图1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。
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。
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实验3 Cache 控制器设计
1．实验目的
(1) 掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。
(2) 熟悉FPGA应用设计及EDA 软件的使用。
(3)熟悉Vivado软件的使用及FPGA应用设计。
2．实验原理
Cache是介于CPU和主存之间的小容量存储器，包括管理在的全部功能由硬件实现，对程序员是透明的，在一定程度上解决了CPU和主存之间的速度差异。
与主存容量相比，Cache 的容量很小，它保存的容只是存容的一个子集，且Cache与主存的数据交互以块为单位。
把主存中的块放到Cache中时必须把主存地址映射到Cache中，即确定位置的对应关系，并采用硬件实现，以便CPU给出的访存地址能够自动变换成Cache地址。
由于程序访问的局部性，使得主存的平均读出时间接近Cache的读出时间，大大提高了CPU的访存效率。
地址映射方式有全相联方式、直接相联方式、组相联方式，本实验采用的是直接方式，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：主存中一块只能映象到Cache的一个特定的块中。
假设主存的块号为B，Cache的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示为：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，则直接映象方法的关系如图3.19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象到Cache中同一块号的那个特定块中。
例如，主存的块0只能映象到Cache 的块0中，主存的块1只能映象到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）也只能映象到Cache 的块0中。
根据上面给出的地址映象规则，整个Cache 地址与主存地址的低位部分是完全相同的。
图1直接相联映像方式
直接映象方式的地址变换过程如图1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，主存地址中的块地址W与Cache地址中的块地址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。
图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）。
把读出来的区号与主存地址中的区号E进行比较，根据比较结果和与区号在同一存储字中的有效位情况作出处理。
如果区号比较结果相等，有效位为‘1’，则Cache 命中，表示要访问的那一块已经装入到Cache中了，这时Cache地址（与主存地址的低位部分完全相同）是正确的。
用这个Cache地址去访问Cache，把读出来的数据送往CPU。
其他
情况均为Cache没有命中，或称为Cache失效，表示要访问的那个块还没有装入到Cache 中，这时，要用主存地址去访问主存储器，把读出来的一个字送往CPU，同时，把包括被访问字在的一块都从主存储器中读出来，送往Cache的相应块。
Cache和CPU以及存储器的连接如图3所示，本实验要在FPGA中实现Cache及其地址变换逻辑（也叫Cache控制器），采用直接相联地址变换，只考虑CPU从Cache读数据，不考虑CPU写回数据的情况。
Cache控制器顶层模块如图4所示，主存地址为A7…A0,共8位，区号E取3位，这样Cache地址还剩5位，所以Cache容量为32个单元，块号B取3位，那么Cache分为8块，块地址W取2位，则每块为4个单元。
图4中，WCT为写Cache块表信号，CLR为系统总清零信号，A7…A0为CPU访问存的地址，M为Cache失效信号，CA4…CA0为Cache地址，MD7…MD0 为主存送Cache的数据，D7…D0为Cache送CPU数据，T2为系统时钟，RD为CPU访问存读信号，LA1和LA0为块地址。
图3Cache 系统图
图4 Cache 控制器顶层模块图
3．实验容
(1)在Vivado软件中，使用D触发器作为存储一个二进制代码的存储单元，设计一个8位的存储单元模块，按照基于硬件描述语言的设计流程输入该电路，进行编译、仿真验证后生成存储单元模块供上层设计调用。
(2)根据对实验原理的描述，使用这个8位的存储单元构成一个32*8位的Cache存储体，并在Vivado软件中实现该电路，进行编译、仿真验证后生成Cache存储体模块供上层调用。
(3)参照上面两步，在Vivado软件中实现一个4位的存储单元模块；然后使用这个４位存储单元构成一个8*4位的区表存储器，用来存放区号和有效位。
由图2可知，还需要实现一个区号比较器，如果主存地址的区号Ｅ和区表中相应单元中的区号相等，且有效位为１，则Cache命中，否则Cache失效，标志位为M，M为0时表示Cache失效。
最后，编译、仿真验证后生成区表存储器模块供上层调用。
(4)当Cache命中时，就将Cache存储体中相应单元的数据送往CPU，这个过程比较简单；当Cache失效时，需要将主存中相应块中的数据读出写入Cache中，这样Cache控制器就要产生访问主存储器的地址和主存储器的读信号，由于每块占4个单元，所以需要连续访问4次主存，这就需要一个低地址发生器。
在Vivado软件中，按照基于VerilogHDL的设计流程输入一个2位计数器，用于产生低2位地址00~11，进行编译、仿真验证后生成低地址发生器模块供上层调用。
(5)将产生的低2位地址和CPU给出的高6位地址组合起来，形成访问主存储器的地址，
M可以作为主存的读信号。
这样在时钟T2的控制下，就可以将主存中相应的块写入Cache 的相应块中，最后再修改区表。
在Vivado软件中，参照图4给出的Cache存储器顶层模块，按照基于VerilogHDL的设计流程输入该电路，进行编译、仿真验证后生成编程文件。
思考题：对比分析全（组）相联映射与直接映射方式的区别。
如何在Vivado 软件中实现全（组）相联映射方式的Cache存储器？
顶层模块图
CPU 读存时和 CACHE MEM之间的连接信号。