实验二 Cache 模拟器

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实验目的

• 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；
• 掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响；
• 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；
• 理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。

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实现内容

• 能够设置 Cache 总的大小
• 能够设置 Cache 块的大小
• 能够设置Cache 的映射机制：直接映射、n-路组相联
• 能够设置 Cache 的替换策略：LRU、FIFO
• 能够设置 Cache 的写策略：写回法、写直达法
• 能够设置将 Cache 分为数据 Cache 和 指令 Cache
• 能够设置预取策略

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实验原理

Cache结构

• 采用分层分级结构，越接近CPU则速度越快，存储空间越小。

Cache分层结构

Cache功能

• Cache可以协调从CPU到主存的读写速度差异和存储空间差异，通过若干层cache，以接近CPU的速度读取主存主存大小的存储空间。

• 提供“缓存”的目的是为了让数据访问的速度适应CPU的处理速度，其基于的原理是内存中“程序执行与数据访问的局域性行为”，即一定程序执行时间和空间内，被访问的代码集中于一部分。

映射机制

• 直接映射：每一个内存块地址都可通过模运算对应到一个唯一缓存块上。这是一种多对一映射：多个内存块地址须共享一个缓存区域。

• 组相联映射：把存储空间组织成多个组，每个组有若干数据块。通过建立内存数据和组索引的对应关系，一个内存块可以被载入到对应组内的任一数据块上。

• 全相连：内存中的数据块可以被放置到缓存的任意区域。

n路组关联

换页算法

电脑内存空间的大小固定，无法容纳服务器上所有的文件，所以当有新的文件要被置换入缓存时，必须根据一定的原则来替换掉适当的文件。

• 先进先出算法（FIFO）：最先进入的内容作为替换对象
• 最久未使用算法（LRU）：最久没有访问的内容作为替换对象

写策略

• 写回法：将缓存中的页换回主存中时，将修改过的快加载回主存。
• 写直达法：在修改缓存中的页时，直接也写回主存。