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1、 计算机体系构造Cache模仿器实验实验报告 姓名 崔雪莹 学号 12281166 班级 计科1202班 教师 董岚 06月07日一、阅读分析附件模仿器代码21、核心参数22、核心算法3二、课后习题51、习题内容52、题目分析53、计算及成果64、模仿器上实验成果检查7三、整体分析81、三种映射方式对Cache效率影响82、block块大小与Cache容量对Cache效率影响83、Cache容量与相连度对Cache效率影响94、三种失效类型影响因素9四、实验思考和感受101、关于模仿器思考102、关于整个实验思考10一、 阅读分析附件模仿器代码1、核心参数（1） 顾客可见参数：（顾客通过命令行
2、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祈求次数待输出等于project.txt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-hitcount
3、missrate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次数（2）程序内部重要参数：（代码内部重要参数）参数名含义计算备注blockinbyte块字节大小=blocksize*4每一种块占多少字节NOofblock块个数=cachesize/blockinbyteCache中多少个块NOofset组个数=NOofblock/assoc块提成了多少个组bytearray要访问数据字节地址=projec.txt中值project.txt文献数据赋给了bytearray数组wordaddress要访问数据字
4、地址=bytearrayj/4blocksize是字为单位，就是说一种block占多少个字，因此数据也规定字地址blockaddress数据块地址=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标记位（组内寻址）=blockaddressj/NOofset块地址高(32-m)位为标记位,用于拟定组内哪块数据，newarrayindexz+1中存储*valid有效位有效为1，失效为0判断该cache块数据与否有效*是由于没有真正定义，只是存储newarra
5、yindexz中lruindexz近来未被使用次数每次加1，被重写置0替代时，替代掉lruindex值最大那个块2、核心算法注：这里不粘贴代码，只是进行简朴代码算法阐明（1） 块地址表达：注：图是我按照自己想法自己画，也许有些地方并不精确，望教师指正。图中以一种例子来解释cache模仿器中block和数据地址关系，以及和组地址和标志位关系。（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0
6、001 0010 B，其中组数为8，又由于23=8，因此字地址取后3位为：index = 010 B = 2 ，取前29位为：tag = 00010 B = 2 。因此，算法与理论是一致。（3） Valid：有效位。当通过上述方式寻址找到了数据存储数据块，接下来判断有效位：有效位为1，阐明数据是有效，可以从block提取数据；有效位为0，阐明块里数据是无效，因此不能从block提取数据，浮现miss，此时判断miss类型，同步需要访问内存或下一级存储，将数据放到cache里。（4） 失效类型及判断办法：判断失效类型，函数misstype（int ba ，int nb ，int l）。Compu
7、lsory miss（强制性失效，冷启动）：当第一次访问某一种块时候，数据是必定不在块中，此时浮现强制性失效，或者说是冷启动失效。Capacity miss（容量失效）：所需数据不能所有调入cache中，块被替代后又被重新访问，意思就是当所有块都被占满了，这样又有数据但愿被调入缓存时，就浮现了容量失效。Conflict miss（冲突失效）：在组相联或直接映像中，数据想要替代进某一组中，组内块都被占满了，但是别组块有空余，数据只能替代这一组，尽管别组有空余也不能替代。这样就浮现了冲突失效。（5） LRU算法实现替代：LRU替代算法是采用近来最久未使用块，其中Lru数组存储近来多少次未被使用，由
8、于是采用循环访问，当循环访问到这一组时，把这组所有块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：是特殊组相联映射，就是相联度为1组相联映射。因此采用和组相联同样程序和算法，当辨认该组第一块失效时，直接进行替代，由于有且只有一块。组相联映射：当辨认该组某块失效时，如果块都被占满，要依照Lru值大小，判断哪一块被替代掉。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，要依照Lru值大小，判断哪一块被替代掉。二、 课后习题1、 习题内容在CacheSimulator模仿器上模仿
9、如下程序运营过程：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）。同步假设内存当中只有这一种程序在运营，并且整形数字长度为一种字长（字长为32位），在直接相连映射下，stribe分别等于132、131时程序运营成果，并分析因素。而当采用两路组相连时又会有什么成果并分析因素。2、 题目分析当stribe = 132/131 时，程序相称于循环访问内存偏移地址为0和地址132/131内容，循环10000次，也就是访问
10、了次存储。结合cache机制，cache大小为256个字节，块大小为16个字节，因此块个数为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、 计算及成果1） 直接映像时：l stride=132array0块地址为0，映射到cache块号为0：0 mod 16 = 0array132块地址为132/4 = 33，映射到cache块号为1：33 mod 16 = 1由于第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后由于调入cache，不会发生失效。则失效次数为2，则失效率为： 2/0 = 0.01%命中次数为1
11、9998次，命中率为：19998/0 = 99.99% = 1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。l stride=131array0块地址为0，映射到cache块号为0：0 modulo 16 = 0array131块地址为131/4 = 32，映射到cache块号为0：32 modulo 16 = 0由于第一次访问cache，0一定会发生强制性失效，之后cache里块号为0块不断地被替代写入替代写入，此时发生冲突失效。则失效次数为0，则失效率为：0/0 = 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=132arr
12、ay0块地址为0，映像到cache组号为0：0 modulo 8 = 0array132块地址为132/4 = 33，映像到cache组号为1：33 modulo 8 = 1由于第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后由于调入cache，不会发生失效。则失效次数为2，则失效率为：2/0 = 0.01%命中次数为19998次，命中率为：19998/0 = 99.99% = 1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。l stride=131array0块地址为0，映像到cache组号为：0 modulo 8 = 0array131块地址为131/4 = 32，映像到cache组号为：
13、32 modulo 8 = 0由于第一次访问cache，0和1一定会发生强制性失效，之后由于是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：2/0 = 0.01%命中次数为19998次，命中率为：19998/0 = 99.99% = 1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。4、 模仿器上实验成果检查注：由于例题循环次数为10000，为了便于实验，我将循环次数设立为100，成果参照100计算，原理是一致。由于实际131/132都是字地址，而project.txt设立是字节地址，因此将project.txt里值设立为0 和 132*4/131*4 循
14、环100次，设立cache大小为256，block大小为4，可以分别看到直接映射和2路组相连映射成果为：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）01982路组相连映射stride=132stride=131miss count22miss rate0.010.01hit count198198hit rate0.990.99access count200200c1c(强制
15、性失效)22c2c（容量性失效）00c3c（冲突性失效）00可以看到实验成果与计算是一致（由于循环次数100，因此实验成果小数点要后移两位）。同步对习题1思考（见后）也证明是对的。（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 = 131 截图三、 整体分析1、 三种映射方式对Cache效率影响其她相似条件：block大小为2，组相连相连度为4，project.txt为200个01000随机数。cache容量（字节）映射方式直接映射组相连全相连640.940.93
16、50.9251280.870.8750.8652560.790.790.7855120.680.630.6110240.500.500.50 生成图表：此时可以看到：1. 直接映射失效率高，组相连失效率中档，全相连失效率最低2. 随着cache容量增长，失效率越小。3. 当cache容量为1024时，由于数据取值因素，三种方式失效率相等，阐明当cache容量足够大，三种方式失效率是同样。2、 block块大小与Cache容量对Cache效率影响其她相似条件：直接映射，相连度为1，project.txt为200个01000随机数。块大小（字）Cache容量（字节）6412825651210241
17、0.940.8850.830.770.6920.940.870.790.680.5040.950.9050.800.6350.3080.9450.890.7850.5750.155生成图表：此时可以看到：1. 对于给定cache容量如64字节，当块大小增长时，失效率先是下降，日后反而上升了。2. Cache容量越大，使其失效率达到最低块大小就越大。3. 由于获得数据样本是随机，不是持续，实验数据并不是十分精确，例如cache容量128时，块大小浮现两次失效率3、 Cache容量与相连度对Cache效率影响其她相似条件：组相连，块大小2，project.txt为200个01000随机数。Cach
18、e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. 由于获得数据样本是随机，不是持续，实验数据并不是十分精确。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：其她相似条件：cache大小为256，block大小为2，组相连，project.txt为200个01000随
19、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，不受相连度影响。2. 容量失效基本不受相连度影响，但由于数据偶尔性，浮现增大趋势。3. 冲突失效随着相连度增长而减少。（2）Cache容量对三种失效类型影响：其她相似条件：block大小为2，组相连度为4，project.txt为200个01000随机数。cache容量（字节）总失效率总失效次数失效类型（相对比例）强制性失效容量失效冲突
20、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影响。3. 容量失效随着容量增长而大大减小。4. 冲突失效不受容量大小影响。四、 实验思考和感受1、关于模仿器思考 Cache大小可选为16/64/128/256，由于代码写了，但是没有增长选项。但是，我考虑由于16实在太小了，没什么意义。 打开文献 名字为project.txt，修改文献名。 个人感觉有地方不太适当，由于直接映像就是特殊组相联映射，因此相联度一定为
21、1，但是代码中并没有设计这一点，当一种完全不懂得人使用时，很有也许设立相联度不不大于1，导致错误。此外我觉得可以把三种方式各封装在一种自己函数里，这样代码更加清晰。 有困惑我问题，我是通过阅读代码才比较清晰理解cache实现，但是模仿器给出地址映射办法是将数据字节地址转换为字地址，又将字地址转换为块地址，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，办法明显不一致。通过我重新阅读习题1题目，发现实际习题1132/131是字地址，由于定义int array数组定义是整数字长，因此132/131指是地址为字地址，例如两个地址之间是一种整数字长。2、关于整个实验思考这次实验是我大学做最专
22、心一次实验，没有之一。我在仔细阅读实验代码后，懂得了内存物理地址是如何转换为cache块号或组号。我依照自己理解，画了一种模仿寻址图，更加清晰懂得原理，理顺清晰究竟是怎么一回事，收获很大。在做整体分析时，我采用图表折线图方式，更加直观看出数据走势。但是我最初设想采样样本是像一条平滑曲线同样，自动生成一组相对持续数据，但是我只会生成随机数。而随机数是离散，因此，后来有机会，我但愿采用持续数据样本，重新得出更加精确成果。总体来说，实验还是相对简朴，但是注重理解。理论与实践结合起来，加深了我对cache某些学习理解，同步，也锻炼了我自主思考，自主学习能力。例如，整体分析某些，采用不同变量成果比较办法等等。但愿在此后学习当中，继续保持，继续进步。