计算机体系结构cache模拟器实验报告文档格式.docx
《计算机体系结构cache模拟器实验报告文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机体系结构cache模拟器实验报告文档格式.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1／2/4
以字为单位
ａｓsｏｃ
相连度
1／2/4/8／16
asｓoｃ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
成功在Cacｈe找到次数
hｉtｒate
命中率
HiｔRａtｅ= hitcount/accesscoｕnt
misscount
未命中次数
没在Cａcｈｅ找到次数
ｍｉｓscｏｕnｔ＝1-ｈitｃouｎｔ
miｓｓratｅ
未命中率
MｉssRａte=misｓcounｔ/acｃｅsscｏuｎt
c1c,ｃ2c,c3ｃ
失效次数
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）
计算
blockiｎbyte
块的字节大小
＝ｂlｏｃkｓize*４
每一个块占多少字节
ＮＯｏfbloｃk
块个数
＝caｃhesｉze/ｂlockinbｙtｅ
Ｃache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]／4
blocksize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）
=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：
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% ＮOofsetﻩiｎdex=16％8=２
ｔag=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= ０1０ Ｂ =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。
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。
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]
ﻩﻩfｏr（ｉ=０；
i<
１０000;
i＋+）
fｏr（j=0;
j<
２５6;
j=j+ｓtriｄｅ）
ﻩc = 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。
3、计算及结果
1）直接映像时:
●stride=1３２
aｒraｙ[0]的块地址为0，映射到caｃｈｅ的块号为0:
０moｄ１6 ＝ 0
ａrraｙ[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%
ﻩ命中次数为１9998次,命中率为:
ﻩﻩﻩ１9998/200０0 =99.99% =1（近似）
失效类型为强制性失效，次数为2。
●ｓtｒide=１3１
arｒay［０]的块地址为0，映射到cacｈｅ的块号为0：
０modulo1６ =0
arrａy[1３1]的块地址为1３1/4=32，映射到cachｅ的块号为０:
３2ｍodulo 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2００00，则失效率为：
ﻩ20000/２０000=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＝１32
ａrray[0]的块地址为0,映像到cache的组号为0：
０mｏｄulo8=0
ａrrａy[13２]的块地址为13２/4= ３３,映像到ｃａche组号为1:
33 ｍodulo８= 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。
2/20000=0.01%
命中次数为19998次，命中率为：
ﻩ19998／2000０ = ９9.99％=１（近似）
ﻩﻩ失效类型为强制性失效，次数为2。
●strｉde=１31
array［0］的块地址为0,映像到cache组号为:
0moｄulo ８=０
ａrrａｙ[13１]的块地址为131/４ =32,映像到cache组号为:
32moduｌo8＝ 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,arraｙ[０］与arraｙ[131］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:
ﻩﻩ１999８/20０00= 99.99％=1（近似）
4、模拟器上实验结果检验
注:
因为例题的循环次数为10０00,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＝13２
stride=1３1
misscｏunｔ
2
2０0
missｒatｅ
0．01
１.00
hitcounｔ
198
0
ｈitｒate
0.９9
0
ａccesｓcount
２00
２０0
c1c（强制性失效）
2
c2c（容量性失效）
０
c3c（冲突性失效）
０
2路组相连映射
stｒiｄe=1３２
ｓtｒidｅ=１31
miｓscoｕnｔ
２
miｓs rａte
0.01
0.０1
hitｃｏunｔ
1９８
198
hitｒａte
0.99
０．99
acｃｅssｃount
200
200
ｃ1c（强制性失效）
２
ｃ2ｃ（容量性失效）
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＝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0~１000的随机数。
caｃhe容量（字节）
映射方式
组相连
全相连
64
0．9４
0.935
0.925
128
０.８７
0.８７５
0．86５
２５6
0.79
0．7９
0.785
51２
０.68
0.63
0.61
1024
0.５0
0．5０
0．５0
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cachｅ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０~1000的随机数。
块大小（字）
Cacｈe容量（字节）
6４
25６
512
1０2４
1
0.9４
0.８8５
０.83
0.７7
0.6９
2
０.94
0.８７
０.6８
0.5０
4
0.95
０.9０5
0.8０
0.635
0.30
８
0.９４5
0.89
0.78５
0.5７５
0.15５
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
组相连,块大小2，project．txt为2０0个0~1０00的随机数。
Cache容量（字节）
相连度／路
１
２
8
６4
0.93
０．9１5
0.9０5
0.８75
0．87
0．8６
0.87
256
0．765
０．80
0.７8
0．6４5
0.64
0.6７
0．6６
1０24
0.535
0．535
０.535
０．53５
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：
cache大小为256,ｂloｃｋ大小为2，组相连,project．txt为２０0个０~10０0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
0.78
１５6
107
38
1１
160
40
13
0.7６5
１５3
１07
4１
5
0．７85
１5７
４５
16
０.785
１57
4６
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：
ｂlock大小为2,组相连度为４,proｊect.txｔ为200个０~1０0０的随机数。
cａche容量（字节）
失效类型（相对百分比）
1８6
78
1２8
１74
10７
65
０.７65
153
４1
５12
0．64
１２8
1３
０.5３5
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、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intａrｒay[]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。
升级会员 