计算机组成原理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出现：

I/O设备访问主存请求级别高于CPU访存，在多体并行存储系统出现，使得CPU等甚多至几个主存周期，效率降低；所以在CPU于主存之间加一级缓存，先将CPU要取的信息提前送至缓存，CPU可直接从缓存中读取信息；

3、依次输入以下参数：Cache容量、块容量、映射方式、替换策略和写策略。



4、读取cache-traces.zip中的trace文件。

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。

思考：

1、Cache的命中率与其容量大小有何关系？

Cache 的容量与块长是影响cache效率的重要因素；

Cache 容量越大，其CPU命中率就越高，当然容量过大，增加成本，而且cache容量达到一定值时， 命中率已不因容量的增加而又明显的提高；

2、Cache块大小对不命中率有何影响？

Cache 当块由小到大，在已被访问字的附近，近期也可能访问，增大块长，可将更多有用字存入缓存，提高命中率；但是继续增大块长，命中率可能下降，因为所装入缓存的有用数据反而少于被替换掉的有用数据，由于块长增大，块数减少，装入新的块要覆盖旧块，很可能出现少数块刚装入就被覆盖，故命中率可能下降；

3、替换算法和相联度大小对不命中率有何影响？

替换算法中:LRU算法的平均命中率比FIFO的高

LRU算法比较好地利用访存局部性原理，替换出近期用得最少的字块，它需要随时记录cache 各个字块使用情况。FIFO不需要记录各个字块的使用情况，比较容易实现开销小，但是没有根据访存的局部性原理，最早调入的信息可能以后还要用到，或经常用到例如循环程序；

Cache 容量一定时，随着相联度的不断增加，不命中率渐渐减小，但是当相连度增加到一定程度时，不命中率保持不变；

三：实验结果分析

Cache的命中率与其容量大小的关系



将所有测试的数据绘制成折线图，更清晰的展现，如下



Cache块大小对不命中率的影响





替换算法对命中率影响数据分析





FIFO



LRU



Random



相关度大小对命中率的影响



*折线图



四.实验心得

有实验指导书可知，实验所需要知识点是高速缓冲存储器第四章的基础内容，然后由书中学习了cache发展历程,基本工作原理；

对实验所需要的重点名词，进行了理解；命中率，访问效率，平均访问时间例题进行了理解，从而分析了Cache容量，相关度，块大小，替换算法对命中率的影响；

因为LRU 、FIFO 、RANDOM替换算法对命中率也有这一些影响；

看了主存地址映射：有直接映射，全相连映射，感觉有一些迷糊了；

不是太容易理解了，然后百度搜了一些相连度大小对命中率影响，然后运用CacheSim模拟器，仅仅从一个数值中值看出来简单的变化；

但是并不能看出有什么规律；然后把它们用excel做成折线图，发现其中存在的规律；

然后翻阅书籍；解释为什么会存在着现象；这种实践让在学习知识点的过程中，更加有说服性了；

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