计算机体系结构cache模拟器实验报告.docx

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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日一、阅读分析附件模拟器代码21、关键参数22、关键算法3二、 课后习题51、习题内容52、题目分析53、计算及结果64、模拟器上实验结果检验7三、整体分析81、三种映射方式对Cache效率的的影响82、block块大小与Cache容量对Cache效率的影响83、Cache容量与相连度对Cache效率的影响94、三种失效类型影响因素9四、实验思考和感受101、关于模拟器的思考102、关于整个实验的思考10一、 阅读分析附件模拟器代码1、关键参数（1） 用户

2、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misscoun

3、t = 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

4、数组wordaddress要访问的数据的字地址=bytearrayj/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index索引位(组地址)=blockaddressj%NOofset若Noofset=2m，则块地址低m位为索引位（组地址）。tag标识位（组内寻址）=blockaddressj/NOofset块地址高(32-m)位为标识位,用于确定组内哪块数据，newarrayindexz+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

5、效*是因为没有真正定义，只是存放newarrayindexz中lruindexz最近未被使用次数每次加1，被重写置0替换时，替换掉lruindex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。（2） Index与tag：由上面计算：index = blockaddress % NOofsetindex = 16 % 8 = 2tag = blockaddress / Noofsettag

6、= 16/8 = 2以上例，字地址16为例，写成二进制为0001 0010 B，其中组数为8，又因为23=8，所以字地址取后3位为：index = 010 B = 2 ，取前29位为：tag = 00010 B = 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mis

7、stype（int ba ，int nb ，int l）。Compulsory miss（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。Capacity miss（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。Conflict miss（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

8、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Lr

9、u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：int i,j,c stride,array256 for(i=0;i10000;i+) for(j=0;j256;j=j+stride) c = arrayj+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 =

10、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。3、 计算及结果1） 直接映像时：l stride=132array0的块地址为0，映射到cache的块号为0：0 mod 16 = 0array132的块地址为132/4 = 33，映射到cache的块号为1：33 mod 16 = 1因为第一次访问cache，0

11、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。l stride=131array0的块地址为0，映射到cache的块号为0：0 modulo 16 = 0array131的块地址为131/4 = 32，映射到cache的块号为0：32 modulo 16 = 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20

12、000，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：l stride=132array0的块地址为0，映像到cache的组号为0：0 modulo 8 = 0array132的块地址为132/4 = 33，映像到cache组号为1：33 modulo 8 = 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

13、效类型为强制性失效，次数为2。l stride=131array0的块地址为0，映像到cache组号为：0 modulo 8 = 0array131的块地址为131/4 = 32，映像到cache组号为：32 modulo 8 = 0因为第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后因为是2路组相联，array0与array131都在0组，不会发生失效，则失效次数为2，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。4、 模拟器上实验结果检验注：因为例题的循环次数为1000

14、0，为了便于实验，我将循环次数设置为100，结果参照100的计算，原理是一致的。因为实际131/132都是字地址，而project.txt设置的是字节地址，所以将project.txt里值设置为0 和 132*4/131*4 循环100次，设置cache大小为256，block大小为4，可以分别看到直接映射和2路组相连映射的结果为：直接映射stride=132stride=131miss count2200miss rate0.011.00hit count1980hit rate0.990access count200200c1c(强制性失效)22c2c（容量性失效）00c3c（冲突性失效）

15、01982路组相连映射stride=132stride=131miss count22miss rate0.010.01hit count198198hit rate0.990.99access count200200c1c(强制性失效)22c2c（容量性失效）00c3c（冲突性失效）00可以看到实验结果与计算是一致的（因为循环次数100，所以实验结果小数点要后移两位）。同时对习题1的思考（见后）也证明是正确的。（1） 直接映射：stride = 132 截图（2） 直接映射：stride = 131 截图（3） 2路组相连：stride = 132 截图（4） 2路组相连：stride =

16、131 截图三、 整体分析1、 三种映射方式对Cache效率的的影响其他相同条件：block大小为2，组相连相连度为4，project.txt为200个01000的随机数。cache容量（字节）映射方式直接映射组相连全相连640.940.9350.9251280.870.8750.8652560.790.790.7855120.680.630.6110240.500.500.50 生成图表：此时可以看到：1. 直接映射的失效率高，组相连失效率中等，全相连失效率最低2. 随着cache容量的增加，失效率越小。3. 当cache容量为1024时，因为数据取值的原因，三种方式失效率相等，说明当cac

17、he容量足够大，三种方式失效率是一样的。2、 block块大小与Cache容量对Cache效率的影响其他相同条件：直接映射，相连度为1，project.txt为200个01000的随机数。块大小（字）Cache容量（字节）64128256512102410.940.8850.830.770.6920.940.870.790.680.5040.950.9050.800.6350.3080.9450.890.7850.5750.155生成图表：此时可以看到：1. 对于给定的cache容量如64字节，当块大小增加时，失效率先是下降，后来反而上升了。2. Cache容量越大，使其失效率达到最低的块的大

18、小就越大。3. 因为取得数据样本是随机的，不是连续的，实验数据并不是十分准确，比如cache容量128时，块大小出现两次失效率3、 Cache容量与相连度对Cache效率的影响其他相同条件：组相连，块大小2，project.txt为200个01000的随机数。Cache容量（字节）相连度/路1248640.940.930.9150.9051280.8750.870.860.872560.7850.7650.800.785120.6450.640.670.6610240.5350.5350.5350.535生成图表：此时可以看到：1. 提高相连度会使失效率下降。2. 因为取得数据样本是随机的，不

19、是连续的，实验数据并不是十分准确。3. 当容量为1024时，也就是cache一定大时，失效率没什么区别。4、 三种失效类型影响因素（1）相连度对三种失效类型影响：其他相同条件：cache大小为256，block大小为2，组相连，project.txt为200个01000的随机数。相连度（路）总失效率总失效次数失效类型强制性失效容量失效冲突失效10.78156107381120.80160107401340.76515310741580.785157107455160.785157107464 可以看出：1. 强制性失效，即冷启动，不受相连度的影响。2. 容量失效基本不受相连度影响，但因为数据偶

20、然性，出现增大趋势。3. 冲突失效随着相连度的增加而降低。（2）Cache容量对三种失效类型影响：其他相同条件：block大小为2，组相连度为4，project.txt为200个01000的随机数。cache容量（字节）总失效率总失效次数失效类型（相对百分比）强制性失效容量失效冲突失效640.931861077811280.871741076522560.7651531074155120.6412810713810240.53510710700可以看出：1. 容量越大，失效率越小。2. 强制性失效不受容量大小的影响。3. 容量失效随着容量的增加而大大减小。4. 冲突失效不受容量大小的影响。四、

21、 实验思考和感受1、关于模拟器的思考 Cache大小可选为16/64/128/256，因为代码写了，但是没有增加选项。但是，我考虑因为16实在太小了，没什么意义。 打开文件 名字为project.txt，修改文件名。 个人感觉有地方不太合适，因为直接映像就是特殊的组相联映射，所以相联度一定为1，但是代码中并没有设计这一点，当一个完全不懂得人使用时，很有可能设置相联度大于1，造成错误。另外我觉得可以把三种方式各封装在一个自己的函数里，这样代码更加清晰。 有困惑我的问题，我是通过阅读代码才比较清晰的理解cache实现的，但是模拟器给出的地址映射的方法是将数据字节地址转换为字地址，又将字地址转换为块

22、地址，对块地址进行取模运算。而习题1是直接对字地址进行取模运算，方法明显不一致。通过我重新阅读习题1的题目，发现实际习题1的132/131是字地址，因为定义的int array数组定义的是整数字长，所以132/131指的是地址为字地址，例如两个地址之间是一个整数字长。2、关于整个实验的思考这次实验是我大学做的最用心的一次实验，没有之一。我在仔细的阅读实验代码后，知道了内存的物理地址是怎样转换为cache的块号或组号的。我根据自己的理解，画了一个模拟寻址图，更加清晰的知道原理，理顺清楚到底是怎么一回事，收获很大。在做整体分析时，我采用图表折线图的方式，更加直观的看出数据的走势。但是我最初的设想采样样本是像一条平滑的曲线一样，自动的生成一组相对连续的数据，但是我只会生成随机数。而随机数是离散的，所以，以后有机会，我希望采用连续数据的样本，重新得出更加准确的结果。总体来说，实验还是相对简单的，但是注重理解。理论与实践结合起来，加深了我对cache部分学习的理解，同时，也锻炼了我自主思考，自主学习的能力。比如，整体分析部分，采用不同变量结果比较方法等等。希望在今后的学习当中，继续保持，继续进步。