计算机体系结构——Cache模拟器实验实验报告姓名崔雪莹学号 ********班级计科1202班老师董岚2015年 06月07日一、阅读分析附件模拟器代码 (3)1、关键参数 (3)2、关键算法 (4)二、课后习题 (6)1、习题内容 (6)2、题目分析 (6)3、计算及结果 (7)4、模拟器上实验结果检验 (8)三、整体分析 (11)1、三种映射方式对Cache效率的的影响 (11)2、block块大小与Cache容量对Cache效率的影响 (12)3、Cache容量与相连度对Cache效率的影响 (13)4、三种失效类型影响因素 (14)四、实验思考和感受 (16)1、关于模拟器的思考 (16)2、关于整个实验的思考 (17)一、阅读分析附件模拟器代码1、关键参数（1）用户可见参数：（用户通过命令行输入参数）（2）程序内部主要参数：（代码内部重要参数）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：注：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 % NOofset index = 16 % 8 = 2tag = blockaddress / Noofset tag = 16/8 = 2以上例，字地址16为例，写成二进制为0001 0010 B，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…0010 B = 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（int ba ，int nb ，int l）。
Compulsory miss（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。
Conflict miss（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：int i,j,c stride,array[256]for(i=0;i<10000;i++)for(j=0;j<256;j=j+stride)c = 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=132array[0]的块地址为0，映射到cache的块号为0：0 mod 16 = 0array[132]的块地址为132/4 = 33，映射到cache的块号为1：33 mod 16 = 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%命中次数为19998次，命中率为：19998/20000 = 99.99% = 1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。
●stride=131array[0]的块地址为0，映射到cache的块号为0：0 modulo 16 = 0array[131]的块地址为131/4 = 32，映射到cache的块号为0：32 modulo 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：20000/20000 = 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=132array[0]的块地址为0，映像到cache的组号为0：0 modulo 8 = 0array[132]的块地址为132/4 = 33，映像到cache组号为1：33 modulo 8 = 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%命中次数为19998次，命中率为：19998/20000 = 99.99% = 1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。
stride=131array[0]的块地址为0，映像到cache组号为：0 modulo 8 = 0array[131]的块地址为131/4 = 32，映像到cache组号为：32 modulo 8 = 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：19998/20000 = 99.99% = 1（近似）失效类型为强制性失效，次数为2。
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：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。
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。
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效率的影响其他相同条件：组相连，块大小2，project.txt为200个0~1000的随机数。
生成图表：此时可以看到：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：其他相同条件：cache大小为256，block大小为2，组相连，project.txt为200个0~1000的随机数。
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：其他相同条件：block大小为2，组相连度为4，project.txt为200个0~1000的随机数。
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○1Cache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。
○2打开文件名字为project.txt，修改文件名。
○3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。