Cache模擬器的實(shí)現(xiàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院（系）： 南陽(yáng)理工軟件學(xué)院 專 業(yè)： 移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用開發(fā)班 級(jí)： 移動(dòng)二班 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 張彪 2017年 11 月 7 日實(shí)驗(yàn)1 Cache模擬器的實(shí)現(xiàn)一.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)加深對(duì)Cache的基本概念、基本組織結(jié)構(gòu)以及基本工作原理的理解。(2)掌握Cache容量、相聯(lián)度、塊大小對(duì)Cache性能的影響。(3)掌握降低Cache不命中率的各種方法以及這些方法對(duì)提高Cache性能的好處。(4)理解LRU與隨機(jī)法的基本思想以及它們對(duì)Cache性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟1、啟動(dòng)CacheSim。找到老師給的文件雙擊打開就啟動(dòng)完成（截圖如下）進(jìn)入頁(yè)

2、面:2、根據(jù)課本上的相關(guān)知識(shí)，進(jìn)一步熟悉Cache的概念和工作機(jī)制。Cache : 高速緩沖存儲(chǔ)器。高速緩沖存儲(chǔ)器是存在于主存與CPU之間的一級(jí)存儲(chǔ)器， 由靜態(tài)存儲(chǔ)芯片(SRAM)組成，容量比較小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度。 Cache的功能是用來(lái)存放那些近期需要運(yùn)行的指令與數(shù)據(jù)。目的是提高CPU對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)速度。工作機(jī)制：主要由三大部分組成： Cache存儲(chǔ)體：存放由主存調(diào)入的指令與數(shù)據(jù)塊。地址轉(zhuǎn)換部件：建立目錄表以實(shí)現(xiàn)主存地址到緩存地址的轉(zhuǎn)換。替換部件：在緩存已滿時(shí)按一定策略進(jìn)行數(shù)據(jù)塊替換，并修改地 址轉(zhuǎn)換部件。3、依次輸入以下參數(shù)：Cache容量、塊容量、映射方式、替換策

3、略和寫策略。Cache容量塊容量映射方式替換策略寫策略256KB8 Byte直接映射-64KB32 Byte4路組相聯(lián)LRU-64KB32 Byte4路組相聯(lián)隨機(jī)-8KB64 Byte全相聯(lián)LRU-4、讀取cache-traces.zip中的trace文件。5、運(yùn)行程序，觀察cache的訪問(wèn)次數(shù)、讀/寫次數(shù)、平均命中率、讀/寫命中率。 Cache的數(shù)據(jù)如上表數(shù)據(jù)先使用： 第一行的數(shù)據(jù)運(yùn)行截圖: 觀察表中的數(shù)據(jù) 通過(guò)上圖可知：訪問(wèn)次數(shù)讀出次數(shù)寫入次數(shù)平均命中率讀出命中率寫入命中率59721.03791%93.2351%0.27452%第二行的數(shù)據(jù)運(yùn)行截圖:觀察表中的數(shù)據(jù) 通過(guò)上圖可知：訪問(wèn)次數(shù)讀

4、出次數(shù)寫入次數(shù)平均命中率讀出命中率寫入命中率597275.2378%96.1654%75.0645%第三行的數(shù)據(jù)運(yùn)行截圖:觀察表中的數(shù)據(jù) 通過(guò)上圖可知：訪問(wèn)次數(shù)讀出次數(shù)寫入次數(shù)平均命中率讀出命中率寫入命中率597275.2374%96.1487%75.0643%第四行的數(shù)據(jù)運(yùn)行截圖:觀察表中的數(shù)據(jù) 通過(guò)上圖可知：訪問(wèn)次數(shù)讀出次數(shù)寫入次數(shù)平均命中率讀出命中率寫入命中率597287.6024%96.5673%87.5282%思考：1、Cache的命中率與其容量大小有何關(guān)系？ 進(jìn)行以下測(cè)試 采用控制變量法 讓其容量大小分別為 8KB、16KB、32KB 、64KB 128KB保持快容量為8B，其他因

5、素固定不變進(jìn)行測(cè)試：容量大小為8KB時(shí):容量大小為16KB時(shí)(為了方便一下數(shù)據(jù)直接截圖命中率) 容量大小為32KB時(shí)容量大小為64KB時(shí)容量大小為128KB時(shí)制作圖表如下：Cache容量KB快容量B映射方式替換策略寫策略命中率8KB32B直接映射Write_through75.2232%16KB32B直接映射Write_through75.2279%32KB32B直接映射Write_through75.236%64KB32B直接映射Write_through75.2364%128KB32B直接映射Write_through75.2367%將所有測(cè)試的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，更清晰的展現(xiàn)，如

6、下 得到結(jié)論:一般而言，cache用量越大，其cpu命中率越高，當(dāng)然容量也沒(méi)必要太大，當(dāng)cache容量達(dá)到一定值時(shí)，命中率不因容量增大而有明顯提高。 2、Cache塊大小對(duì)不命中率有何影響？進(jìn)行以下測(cè)試 采用控制變量法 讓其塊量大小分別為 8B、16B、32B 、64B 128B保持cache容量為32KB，其他因素固定不變進(jìn)行測(cè)試（先測(cè)試對(duì)命中率影響）：塊容量為8B時(shí)塊容量為16B時(shí)塊容量為32B時(shí)塊容量為64B時(shí)塊容量為128B時(shí)塊容量為256B時(shí)塊容量為1024B時(shí)塊容量為2048B時(shí)塊容量為4096B時(shí)制作圖表如下：Cache容量KB快容量B映射方式替換策略寫策略命中率32K

7、B8B直接映射Write_through1.03695%32KB16B直接映射Write_through50.5014%32KB32B直接映射Write_through75.236%32KB64B直接映射Write_through87.606%32KB128B直接映射Write_through93.7925%32KB256B直接映射Write_through96.8874%32KB1024B直接映射Write_through99.2022%32KB2048B直接映射Write_through99.8289%32KB4096B直接映射Write_through75.236%將所有測(cè)試的數(shù)據(jù)繪制成

8、折線圖，更清晰的展現(xiàn)，如下 得到結(jié)論:一般而言，cache塊越大，其cpu命中率越高，當(dāng)然塊也沒(méi)必要太大，當(dāng)cache塊達(dá)到一定值時(shí)，命中率隨著塊增大反而降低。 3、替換算法和相聯(lián)度大小對(duì)不命中率有何影響？ 替換策略時(shí)4路組相連時(shí)FIFO時(shí)：LUR時(shí)Random時(shí) 收集數(shù)據(jù)制表Cache容量快容量映射方式替換策略寫策略命中率64Kb32B4路組相連先進(jìn)先出（FIFO）Write_throurh2.01518%64Kb32B4路組相連近期最少使用（LRU）Write_throurh75.2378%64Kb32B4路組相連隨機(jī)發(fā)（RANDOM）Write_throurh75.2

9、374%2路組相連時(shí)FIFOLRURANDOM收集數(shù)據(jù)制表Cache容量快容量映射方式替換策略寫策略命中率64Kb32B2路組相連先進(jìn)先出（FIFO）Write_throurh1.24761%64Kb32B2路組相連近期最少使用（LRU）Write_throurh75.2377%64Kb32B2路組相連隨機(jī)發(fā)（RANDOM）Write_throurh75.2374%8路組相連時(shí)FOFOLRURANDOM收集數(shù)據(jù)制表Cache容量快容量映射方式替換策略寫策略命中率64Kb32B8路組相連先進(jìn)先出（FIFO）Write_throurh2.19559%64Kb32B8路組相連近期最少使用（LRU）W

10、rite_throurh75.2377%64Kb32B8路組相連隨機(jī)發(fā)（RANDOM）Write_throurh75.2375%以上圖表數(shù)據(jù)融合繪制成柱狀圖：(圖表數(shù)據(jù)保留了兩位小數(shù))三個(gè)表中數(shù)據(jù)合計(jì)：4路組相連2路組相連8路組相連FIFO2.01518%1.24761%2.19559%LRU75.2378%75.2377%75.2377%RANDOM75.2374%75.2374%75.2375%從上圖中可以看出 LRU（命中率）>FIFO(命中率)相連度大小的影響：根據(jù)上表制表隨著路組增大命中率增大 但是幅度偏小 lru出現(xiàn)下降三.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及上述數(shù)據(jù)結(jié)果可知:I.C

11、ache 容量不同時(shí)它的命中率也會(huì)隨之改變;當(dāng)Cache 塊容量- 一定時(shí)，Cache 容量越大，其CPU 的平均命中率越高2.Cache 塊大小不同時(shí)對(duì)命中率也會(huì)有影響。Cache 塊容量越大，其不命中率越低3.替換算法和相聯(lián)度對(duì)命中率也有影響.由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)保持相聯(lián)度大小致時(shí)，替換策略為近期最少使用算法的命中率高于先進(jìn)先出算法的命中率。當(dāng)保持替換策略 一致時(shí)，隨著路組增大命中率增大 但是幅度偏小 lru出現(xiàn)下降。四.實(shí)驗(yàn)心得通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)：對(duì)命中率，訪問(wèn)效率，平均訪問(wèn)時(shí)間例題進(jìn)行了理解，從而分析了Cache容量，相關(guān)度，塊大小，替換算法對(duì)命中率的影響。同時(shí)也對(duì)命中率相關(guān)計(jì)算有了了解：設(shè)Nc為訪問(wèn)訪問(wèn)Cache