计算机体系结构cache模拟器实验报告

崔雪莹——Cache实现分析1计算机体系结构——Cache模拟器实验实验报告姓名崔雪莹学号12281166班级计科1202班老师董岚2015年06月07日崔雪莹——Cache实现分析2一、阅读分析附件模拟器代码..............................................................................................31、关键参数.............................................................................................................32、关键算法.............................................................................................................4二、课后习题.........................................................................................................................61、习题内容.............................................................................................................62、题目分析.............................................................................................................63、计算及结果.........................................................................................................74、模拟器上实验结果检验.....................................................................................8三、整体分析.......................................................................................................................111、三种映射方式对Cache效率的的影响...........................................................112、block块大小与Cache容量对Cache效率的影响..........................................123、Cache容量与相连度对Cache效率的影响....................................................134、三种失效类型影响因素...................................................................................14四、实验思考和感受...........................................................................................................161、关于模拟器的思考...........................................................................................162、关于整个实验的思考.......................................................................................17崔雪莹——Cache实现分析3一、阅读分析附件模拟器代码1、关键参数（1）用户可见参数：（用户通过命令行输入参数）参数名含义值备注choice映像方式选项1/2/31为直接映射，2为组相连映射，3为全相连映射cachesizeCache大小16/64/128/256以字节为单位blocksizeBlock大小1/2/4以字为单位assoc相连度1/2/4/8/16assoc路组相连（n-way）accesscount请求次数待输出等于project.txt的值个数hitcount命中次数待输出成功在Cache找到次数hitrate命中率待输出HitRate=hitcount/accesscountmisscount未命中次数待输出没在Cache找到次数misscount=1-hitcountmissrate未命中率待输出MissRate=misscount/accesscountc1c,c2c,c3c失效次数待输出分别为三种失效类型的次数（2）程序内部主要参数：（代码内部重要参数）参数名含义计算备注blockinbyte块的字节大小=blocksize*4每一个块占多少字节NOofblock块个数=cachesize/blockinbyteCache中多少个块NOofset组个数=NOofblock/assoc块分成了多少个组bytearray[]要访问的数据的字节地址=projec.txt中的值project.txt文件数据赋给了bytearray[]数组wordaddress[]要访问的数据的字地址=bytearray[j]/4blocksize是字为单位的，就是说一个block占多少个字，所以数据也要求字地址blockaddress[]数据的块地址=wordaddress[]/blocksize数据在第几块崔雪莹——Cache实现分析4index索引位(组地址)=blockaddress[j]%NOofset若Noofset=2^m，则块地址低m位为索引位（组地址）。tag标识位（组内寻址）=blockaddress[j]/NOofset块地址高(32-m)位为标识位,用于确定组内哪块数据，newarray[index][z+1]中存放*valid有效位有效为1，失效为0判断该cache块数据是否有效*是因为没有真正定义，只是存放newarray[index][z]中lru[index][z]最近未被使用次数每次加1，被重写置0替换时，替换掉lru[index][]值最大的那个块2、关键算法注：这里不粘贴代码，只是进行简单的代码算法说明（1）块地址表示：注：图是我按照自己的想法自己画的，可能有些地方并不准确，望老师指正。图中以一个例子来解释cache模拟器中block和数据地址的关系，以及和组地址和标志位的关系。崔雪莹——Cache实现分析5（2）Index与tag：由上面计算：index=blockaddress%NOofsetindex=16%8=2tag=blockaddress/Noofsettag=16/8=2以上例，字地址16为例，写成二进制为00010010B，其中组数为8，又因为2^3=8，所以字地址取后3位为：index=010B=2，取前29位为：tag=0…0010B=2。所以，算法与理论是一致的。（3）Valid：有效位。当通过上述方式寻址找到了数据存放的数据块，接下来判断有效位：有效位为1，说明数据是有效的，可以从block提取数据；有效位为0，说明块里的数据是无效的，所以不能从block提取数据，出现miss，此时判断miss类型，同时需要访问内存或下一级存储，将数据放到cache里。（4）失效类型及判断方法：判断失效类型，函数misstype（intba，intnb，intl）。Compulsorymiss（强制性失效，冷启动）：当第一次访问某一个块的时候，数据是肯定不在块中的，此时出现强制性失效，或者说是冷启动失效。Capacitymiss（容量失效）：所需的数据不能全部调入cache中，块被替换后又被重新访问，意思就是当所有的块都被占满了，这样又有数据希望被调入缓存时，就出现了容量失效。Conflictmiss（冲突失效）：在组相联或直接映像中，数据想要替换进某一组中，组内的块都被占满了，但是别的组的块有空余，数据只能替换这一组，尽管别的组有空余也不能替换。这样就出现了冲突失效。（5）LRU算法实现替换：LRU替换算法是采用最近最久未使用的块，其中Lru[][]数组存放最近多少次未被使用，因为是采用循环访问，当循环访问到这一组时，把这崔雪莹——Cache实现分析6组所有的块的Lru[][]值都加1，如果成功访问到这一块，数据能从其中取出来，就把这一块的Lru[][]值置0，退出循环。（6）直接映射、组相联映射、全相联映射：直接映射：是特殊的组相联映射，就是相联度为1的组相联映射。所以采取和组相联一样的程序和算法，当识别该组第一块失效时，直接进行替换，因为有且只有一块。组相联映射：当识别该组某块失效时，如果块都被占满，要根据Lru[][]值的大小，判断哪一块被替换掉。全相联映射：从上到下cache块存数据，则从上到下循环即可，遇到失效时，要根据Lru[][]值的大小，判断哪一块被替换掉。二、课后习题1、习题内容在CacheSimulator模拟器上模拟如下程序的运行过程：inti,j,cstride,array[256]for(i=0;i10000;i++)for(j=0;j256;j=j+stride)c=array[j]+5;假设Cache总大小是256个字节，且块大小为16字节（4个字）。同时假设内存当中只有这一个程序在运行，而且整形数字的长度为一个字长（字长为32位），在直接相连映射下，stribe分别等于132、131时程序的运行结果，并分析原因。而当采用两路组相连时又会有什么结果并分析原因。2、题目分析当stribe=132/131时，程序相当于循环访问内存偏移地址为0和地址132/131的内容，循环10000次，也就是访问了2000次存储。结合cache机制，cache大小为256个字节，块大小为16个字节，所以块的个数为256/16=16个。若为2路组相连，则有16/2=8组。当第一次访问块时，一定会发生强制性失效，计一次miss。崔雪莹——Cache实现分析73、计算及结果1）直接映像时：stride=132array[0]的块地址为0，映射到cache的块号为0：0mod16=0array[132]的块地址为132/4=33，映射到cache的块号为1：33mod16=1因为第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后因为调入cache，不会发生失效。则失效次数为2，则失效率为：2/20000=0.01%命中次数为19998次，命中率为：19998/20000=99.99%=1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。stride=131array[0]的块地址为0，映射到cache的块号为0：0modulo16=0array[131]的块地址为131/4=32，映射到cache的块号为0：32modulo16=0因为第一次访问cache，0一定会发生强制性失效，之后cache里块号为0的块不断地被替换写入替换写入，此时发生冲突失效。则失效次数为20000，则失效率为：20000/20000=1=100%命中率为0。失效类型为强制性失效次数1，冲突失效次数为19999。2）2路组相联：stride=132array[0]的块地址为0，映像到cache的组号为0：0modulo8=0array[132]的块地址为132/4=33，映像到cache