基于C语言进行Cache模拟器实验【100012397】

# 一、Cache 模拟器实验 ## 1.1 实验目的 - 理解 cache 工作原理； - 如何实现一个高效的模拟器 ## 1.2 实验环境 Linux 64-bit ，C 语言 ## 1.3 实验思路 ### 1.3.1 cache 模拟 建立 cache 的数据结构，包括有效位 valid、标签位 tag 和使用记录器 lru。实现代码如下： ```c++ typedef struct cache_line { char valid; mem_addr_t tag; unsigned long long int lru; } cache_line_t; ``` 定义 cache 组：用数组模拟 cache 组，即建立关于 cache 组的一个指针，然后动态开辟所需要 cache 的数量。实现代码如下： ```c++ typedef cache_line_t* cache_set_t; ``` 定义 cache：用 cache_set 数组模拟 cache，即一个 cache 包含多个 cache 组，同样先创建一个 cache 指针，然后根据所需要 cache 组的大小动态开辟 cache 的实际大小。实现代码如下： ```c++ typedef cache_set_t* cache_t; ``` ### 1.3.2 输入输出参数 - verbosity：显示轨迹信息，输入指令中含-v 则 verbosity 置 1，表示要进行轨迹信息输出，否则 verbosity 置 0。 - s：组索引位数，输入指令中-s 后面的数据为组索引位数，用 S=2s 表示所需要的 cache 组数。 - b：内存块内地址位数，输入指令-b 后面的数据为块内存地址组数，用 B=2b 表示所需要划分 cache 的内存块大小。 - E：关联度（每组包含的缓存行数），输入指令后面的数据为关联度，即每一组有多少个块。 - miss_count：用于记录未命中的次数。 - hit_count：用于记录命中的次数。 - eviction_count：用于记录淘汰的次数。 ### 1.3.3 函数 initCache() 功能：初始化 cache。 实现方法：对于给定的参数 S、B、E 利用 malloc 函数动态开辟 cache 所需要的内存大小。实现代码如下： ```c++ void initCache() { int i,j; cache = (cache_set_t*) malloc(sizeof(cache_set_t) * S); for (i=0; i<S; i++) { cache[i]=(cache_line_t*) malloc(sizeof(cache_line_t) * E); for (j=0; j<E; j++) { cache[i][j].valid = 0; cache[i][j].tag = 0; cache[i][j].lru = 0; } } set_index_mask = (mem_addr_t) (pow(2, s) - 1); } ``` ### 1.3.4 函数 freeCache() 功能：释放 cache 所占用的内存。 实现方法：用循环遍历 cache 所申请的指针数组内存块，以此 free 掉各个内存块。实现代码如下： ```c++ void freeCache() { int i; for(i=0; i<S; i++) { free(cache[i]); } free(cache); } ``` ### 1.3.5 函数 accessData() 功能：模拟 cache 进行的访问，给出所访问内存地址对应的是否命中或者是否淘汰。 实现方法：将输入地址和 set_index_mask 求与后得到一个索引，然后输入地址的前 s+b 位作为标签。依次查询每个块，并对比所需要的索引和标签，如果找到了相应数据，则 hit_count 加 1，否则 miss_count 加 1。并且在未命中时，先查询块中是否有空位置，有的话直接占用此空位置，否则需要找到 lru 最小的行（即最近访问时间间隔最长的行），然后进行数据的替换，eviction_count 加 1。实现代码如下： ```c++ void accessData(mem_addr_t addr) { int i; unsigned long long int eviction_lru = ULONG_MAX; unsigned int eviction_line = 0; int haveEmpty=0;//是否含有空位置 mem_addr_t set_index = (addr >> b) & set_index_mask; mem_addr_t tag = addr >> (s+b); int hit=0; cache_set_t cache_set = cache[set_index]; for(i=0; i<E; i++) //E:相联度 即每一个组内有几块{ //所查询的块在cache内 if(cache_set[i].tag==tag&&cache_set[i].valid==1) { if(verbosity) printf("hit "); hit_count++; cache_set[i].lru = ULONG_MAX; hit = 1; } else if(!haveEmpty&&cache_set[i].valid==0) { haveEmpty=1; eviction_line=i; } else if(cache_set[i].valid==1) { //每进行一次查询，含有数据的块lru减1 cache_set[i].lru--; //找到lru最小的位置，作为预备淘汰 if(cache_set[i].lru<eviction_lru) { eviction_lru=cache_set[i].lru; eviction_line=i; } } } //未命中 if(hit==0) { if(verbosity) printf("miss "); miss_count++; if(cache_set[eviction_line].valid==1)//有淘汰{ if(verbosity) printf("eviction "); eviction_count ++; } cache_set[eviction_line].valid=1; cache_set[eviction_line].lru=ULONG_MAX; cache_set[eviction_line].tag=tag; } } ``` ### 1.3.6 函数 replayTrace 功能：读取 trace 轨迹文件的内容，并根据其指令进行模拟内存访问的过程。 实现方法：通过文件读取函数 fscanf 进行文件流出读取，并将读取的内容赋值到 operation、addr 和 len 变量中，分别代表操作类型、地址、长度。然后根据 operation 的类型进行相应的函数调用。I 指令忽略，S 和 L 指令进行一次 cache 查询，即调用一次 accessData 函数，M 指令进行两次 cache 查询。实现代码如下： ```c++ void replayTrace(char* trace_fn) { mem_addr_t addr=0; unsigned int len=0; char operation; FILE* trace_fp = fopen(trace_fn, "r"); while(fscanf(trace_fp,"%c %llx,%d",&operation,&addr,&len)!=EOF) { if(operation=='I'&&verbosity) printf("%c %llx,%u ",operation,addr,len); else if(operation=='L'||operation=='S'||operation=='M') { if(verbosity) printf("%c %llx,%u ",operation,addr,len); accessData(addr); if(operation=='M') accessData(addr); if(verbosity) printf("\n"); } } fclose(trace_fp); } ``` ### 1.3.7 函数 printUsage() 功能：当有输入格式错误或者输入-h 指令时，输出相应的信息。 实现方法：用 printf 函数输出相关信息。实现代码如下： ```c++ void printUsage(char* argv[]) { printf("Usage: %s [-hv] -s <num> -E <num> -b <num> -t <file>\n", argv[0]); printf("Options:\n"); printf(" -h Print this help message.\n"); printf(" -v Optional verbose flag.\n"); printf(" -s <num> Number of set index bits.\n"); printf(" -E <num> Number of lines per set.\n"); printf(" -b <num> Number of block offset bits.\n"); printf(" -t <file> Trace file.\n"); printf("\nExamples:\n"); printf(" linux> %s -s 4 -E 1 -b 4 -t traces/yi.trace\n", argv[0]); printf(" linux> %s -v -s 8 -E 2 -b 4 -t traces/yi.trace\n", argv[0]); exit(0); } ``` ## 1.4 实验结果和分析 修改完成 csim.c 文件后，进行 make 编译，并运行 test-csim，得到的测试结果如下：  由运行结果可知，cache 模拟正确。 # 二、总结和体会 对 cache 进行的实验模拟算是比较简单的实验，仅仅只是模拟一个建议的 cache 然后对指令访问的命中和淘汰进行记录。需要考虑的函数实现大概就是 accessData 和 replayTrace，前者要进行 cache 内数据的查找和替换，后者是对文件的读取和指令类型判断。总体上来说，完成 cache 模拟实验加深了对 cache 运行模式的认知，也很好的理解了 LRU 淘汰策略的工作机制。 # 三、对实验课程的建议 所给的实验说明比较少，初步读完后并不知道需要如何开始实验，建议多给一些相关的提示，如需要实现的函数构建、cache 设计的基本思路等。 实验总体难度偏低，可以加大实验难度。 # 四、使用说明 1. 实验环境为Linux-64位 2. 实验所需要设计的文件位csim.c，即设计cache并进行模拟仿真 3. 所有的make文件均已经编写好，完成csim.c的编写后，在命令行输入如下命令进行编译 ``` $ make clean $ make ``` 4. 编译完后会得到csim输出文件，输入对应的指令即可以模拟cache运行�