计算机组成原理之Cache模拟器的实现.doc

实验一 Cache模拟器的实现 一.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)掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。 (3)掌握降低Cache不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处。 (4)理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。 二、实验内容和步骤 1、启动Cachesim 2.根据课本上的相关知识，进一步熟悉Cache的概念和工作机制。 Cache概念：高速缓冲存 Cache工作机制：大容量主存一般采DRAM，相对SRAM速度慢，而SRAM速度快，但价格高。程序和数据具有局限性，即在一个较短的时间内，程序或数据往往集中在很小的存储器地址范围内。因此，在主存和CPU之间可设置一个速度很快而容量相对较小的CPU当前正在使用以及一个较短的时间内将要使用的程序和数据，这样，可大大加快CP访问存储器的速度，提高机器的运行效率 （2）块容量： 如下图所示，提示输入块容量，例如1、2、4、8......。此处选择输入16。 （3）映射方式： 如下图所示，提示输入主存储器和高速缓存之间的assoiativity方法（主存地址到Cache地址之间的映射方式），1代表直接映射（固定的映射关系）、2代表组相联映射（直接映射与全相联映射的折中）、3代表全相联映射（灵活性大的映射关系）。此处选择全相联映射。 （4）替换策略： 如下图所示，提示输入替换策略，1代表先进先出（First-In-First-Out,FIFO）算法、2代表近期最少使用（Least Recently Used，LRU）算法、3代表最不经常使用（Least Frequently Used，LFU）、4代表随机法（Random）。此处选择先进 先出。 （5）写策略： 如下图所示，提示输入Cache的读写操作，1代表写直达法（存直达法）即写操作时数据既写入Cache又写入主存、2代表写回法（拷回法）即写操作时只把数据写入Cache而不写入主存，但当Cache数据被替换出去时才写回主存。 此处选写回法 4、读取cache-traces.zip中的trace文件。 如下图所示，提示输入要测试的路径及名称，此处输入Cache-trace.zip的路径，以及需要读取的trace文件名，此处选择读取mcf.trace。 5、运行程序，观察cache的访问次数、读/写次数、平均命中率、读/写命中率。 如下图所示，读取mcf.trace文件，程序运行结果如下： 访问次数 读出次数 写入次数 平均命中率 读出命中率 写入命中率 727230 5972 721258 74.8615% 60.6999% 74.9787% （1）高速缓存访问次数： 727230 高速缓存次数：5972 （3）cache存储次数：721258 （4）平均缓存命中率：74.8615% （5）高速缓存命中率：60.6999% （6）缓存命中率：74.9787% 思考：1、Cache的命中率与其容量大小有何关系？ （1）当Cache块容量为8B、Cache容量为8KB时，平均命中率为1.02017%. （2）当Cache块容量为8B、Cache容量为16KB时，平均命中率为1.02334%. （3）当Cache块容量为8B、Cache容量为32KB时，平均命中率为1.03695%. （4）当Cache块容量为8B、Cache容量为64KB时，平均命中率为1.0375%. （5）当Cache块容量为8B、Cache容量为128KB时，平均命中率为1.03791%. 当Cache块容量为8B时，不同Cache容量下的命中率如下图所示： Cache容量 8 16 32 64 128 平均命中率 1.02017% 1.02334% 1.03695% 1.0375% 1.03791% 由上述图中数据及表格数据可知，当Cache块容量一定时，Cache容量越大，其cache的命中率越高。 2、Cache块大小对不命中率有何影响？ （1）当Cache块容量为8KB、Cache容量为8B时，平均命中率为1.02017%. 当Cache块容量为16KB、Cache容量为8B时，平均命中率为50.4872%. （3）当Cache块容量为32KB、Cache容量为8B时，平均命中率为75.2232%. （4）当Cache块容量为64KB、Cache容量为8B时，平均命中率为87.5903%. （5）当Cache块容量为128KB、Cache容量为8B时，平均命中率为93.768%. 当