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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。 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。 Cache容量 块容量 映射方式 替换策略 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？

2、Cache块大小对不命中率有何影响？

3、替换算法和相联度大小对不命中率有何影响？

三.实验结果分析

问题一：Cache的命中率与其容量大小有何关系？

平均缓存命中率average cache hit rate

结论：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；

问题二：Cache块大小对不命中率的影响

结论：增大块长，由于局部性原理，起初命中率会提高，局部性原理指出，在被访问字的附近，近期也可能被访问，因此，增大块长，最初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； 问题三：替换算法对命中率影响数据分析 结论：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； 问题四：相关度大小对命中率影响数据分析

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

四．知识点总结

• (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。

一．为什么会出现Cache?

答：I/o设备向主存请求的级别高于cpu访存，出现了cpu等待I/o设备访存的现象，致使cpu空等一段时间，降低了工作效率；cache的出现让cpu可以不直接访问主存，而与高速cache交换信息

二．程序访问的局部性是什么？

答：cpu从主存中存取指令的数据，只对主存局部区域地址访问，这是由于指令和数据在主存内都是连续存放的，使得cpu在执行程序中，访存具有相对局部性，这就称为程序访问的局部性；

三.cache的基本组织结构

缓存是由2n 个可编址的字组成，每个字有唯一的n位地址，缓存分成了若干块，每块内包含了若干个字，块内字数相同，缓存的地址分为两端，高c位表示缓存块号，低b位表示块内地址，块长有2b

四.cache的基本工作原理？

任何时刻都有一些主存块处在缓存块中，cpu想要读取主存某字时，有两种可能：1.所需要的字已经在缓存中2.所需要的字不在缓存中，此时需要将该字所在的主存字块调入cache中，此时主存与缓存建立关系

五.Cache的替换机构

CPU欲想要访存的主存块与cache块未建立对应关系，此时cpu访问主存，将该字所在的主存块调入Cache，如果Cache已经被装满，需要采用替换策略。

六．替换策略

1.先进先出（FIFO）算法

举例：小明有一个书柜（相当于主存），书柜里的书相当于主存中的块，卧室还有一个床头柜（缓存），床头柜放书的数量有限，最在小明拿了一本工具书看，紧接着几天又拿了其他书，床头柜满了，需要拿走书，按照（FIFO）算法，把最早放入的那本工具书拿走了，但是这本工具书经常用到，所以这种方法，不可行，不能提高cache命中率 2.近期最少使用（LRU）算法 长期不被使用的数据，在未来被用到的几率也不大。因此，当数据所占内存达到一定阈值时，要移除掉最近最少使用的数据。Cache命中率提高

3.随机法

采用随机数产生器，产生一个随机被替换的块，没有根据访存的局部性原理，不能提高Cache命中率

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