实验六——cache模拟器实验

前言
本次实验的主要目的是熟悉cache的原理。加深对cache的映像规则、替换方法、cache命中与缺失的理解。通过实验对比分析映像规则对cache性能的影响。

实验内容一：熟悉模拟程序

阅读给出的cache模拟程序（cachesimulator.cpp），理解其中的主要参数与功能。修改代码，随机生成N个访存地址，运行程序观察并分析结果（例如，可分析其中命中次数，不命中次数，替换次数）。熟悉cache系统的执行过程（可举例详细分析一次命中/不命中/替换过程）。

首先我们先实现一个函数生成一个随机访问序列并写入文件**“project.txt”**以供后续的使用

void generateRandomMemorySequence(int sequenceLength, const char* fileName,int cache) {
	FILE* fp;
	int i;

	srand(time(NULL));

	fp = fopen(fileName, "w");
	if (fp == NULL) {
		printf("无法打开文件。\n");
		return;
	}

	for (i = 0; i < sequenceLength; i++) {
		int randomNumber = rand() % cache;

		fprintf(fp, "%d\n", randomNumber);
	}

	fclose(fp);
}

当生成一个随机序列如红框中所示

在这里插入图片描述

我们将访问序列对应的字地址，块号，已经地址对应的index位和tag位打印到终端

当采用全相联的映射方式，每个cache的大小为64字节，每个块的大小位1个字长，并使用上述生成的内存随机访问序列时，它的命中率和缺失率如下图所示

在这里插入图片描述

由于我们采用的是全相联方式，并且我们生成的随机访问序列的个数是小于cache能存放的条目数的，所以最后所有的随机访问序列都会被保存到cache中，所以我们不必考虑置换的问题，接下来我们选中命中次数进行分析

命中次数分析：

由打印到终端的随机访问序列和对应的index位和tag位我们可以发现，命中的情况发生发生在随机访问的第四次，第六次，第九次

第四次命中是由于在第三次访存的时候，我们访问的是同一个内存地址，在第三次进行访存的时候，我们已经将该内存地址存放的数据以及该地址对应的tag值放入cache中，并将有效位置1，所以第四次访存可以命中。

第六次命中是由于我们在第一次访存的时候访存的地址是38，而我们在第六次访存的时候我们访存的地址是36，这两个地址同属于一个块，所以在第一次没命中的情况时，我们将其对应的数据块放入了cache，所以第六次才能命中。

第九次命中与第六次命中情况相同。

**cache命中过程介绍：**当我们访问一个内存地址时，我们可以使用这个地址算出对应的index位和tag位，比如我们使用的是全相联，我们就使用tag位与cache中的每一个条目进行比较，如果tag位相同并且有效位为1，那我们就命中了cache不用再去访问主存。

实验内容二：利用该模拟程序仿真课后习题4.1，并得出结果。

习题4.1：The following C program is run (with no optimizations) on a machine with a cache that has four-word (16-byte) blocks and holds 256 bytes of data:

  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;

If we consider only the cache activity generated by references to the array and we assume that integers are words.

（1）What is the expected miss rate when the cache is direct-mapped and stride=132? How about if stride=131?

当stride是132：

由于stride为132，所以每次的内部循环我们都要访问的数据为arrar[0]和array[132]，又由于我们采用的是直接映射的方式并且每一个整数的大小为一个字长，所以array[0]所对应的内存块为0/4=0，而cache中的块的数量为16，0%16=0，所以array[0]对应的cache中的缓冲行的为0，同理可算出array[132]对应的条目存放的缓冲行为1。因此可以预测，一共会产生两次未命中的情况，是在第一次循环时访问array[0]和array[132]时，可算得缺失率为2/(2*10000)=0.01%。

当我们使用程序模拟的运行结果如下图所示：

在这里插入图片描述