基于C 语⾔的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：
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：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：
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：
typedef struct cache_line { char valid ; mem_addr_t tag ; unsigned long long int lru ;} cache_line_t ;
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6typedef cache_line_t * cache_set_t ;
1typedef cache_set_t * cache_t ;
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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：
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：
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);}
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14void freeCache (){ int i ; for (i =0;i <S ;i ++){ free (cache [i ]); } free (cache );}
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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：
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：
图 1-1 test-csim结果
由运⾏结果可知，cache模拟正确。
2.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。
正确。
2.总结和体会
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 );}
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access被淘汰了吗18void 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 ace\n", argv [0]); printf (" linux> %s -v -s 8 -E 2 -b 4 -t ace\n", argv [0]); exit (0);}
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