Cache 模拟系统的设计和实现

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1、实践与经验!"#$%模拟系统的设计和实现陈强超（中山大学计算机系，广州=/,+>=）摘要：’0123即高速缓冲存储器，位于’()与主存之间，是现代计算机不可缺少的组成部分，其性能的高低可直接影响计算机整体的工作效率。本文用软件模拟硬件的方法，依据’0123的基本工作原理，分析了’0123在不同工作策略下的命中率问题。关键词：’0123；软件模拟；工作原理；命中率/’0123的基本原理略装入’0123中后，执行程序时，应将主存地址变换为’0123地址，这个变换过程叫做地址变换。地（/）’0123简介址映像方式通常采用直接映

2、像、全相联映像、组相’0123即高速缓冲存储器，位于’()与主存联映像等三种。之间，它通常是由4%5!构成的规模较小但存取速度很快的存储器。目前计算机主要使用的内存为#%5!，它具有价格低、容量大等特点，但由于使用电容存储信息，存取速度难以提高。为了解决速度与成本的矛盾就产生了一种分级处理的方法，即在主存和’()之间加装一个容量相对较小的4%5!作为高速缓冲存储器。当采用’0123后，在’0123中保存着主存中部分内容的副本，’()在读写数据时，首先访问’0123，只有当’0123中无’()所需的数据时，’()才去访问主

3、存。根据程序的局部性原理，在一个较短的时间内，程序的访存地址往往集中在很小图/范围内。为此，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存装入’0123中，供’()在一当’()发出访存命令时，根据它产生的主存现段时间内使用，就能使极大提高’()访问’0123地址分为两种情形：一种是需要的数据已在’0123代的命中率（高达6,78697），从而大大提高了’()中，那么只需直接访问’0123，从对应单元中读取计访问数据的速度，提高了系统的性能。信息到数据总线；另一种是需要的数据尚未装入算’0123的工作流程如图/所示。’0

4、123，’()需从主存中读取信息的同时，’0123替机︵（+）’0123的工作策略换部件把该地址所在的那块存储内容从主存拷贝总如何确定’0123中的内容是主存中的哪一部到’0123中，若’0123中相应位置已被字块占满，第分的拷贝就是地址映像问题，即必须应用某种函数就必须去掉一块旧的字块。常见的替换策略有最一把主存地址映像到’0123中定位。当信息按这种策近最少使用策略（:%)算法）、先进先出策略（;<;"八算法）和随机替换策略等三种。五期!"!"#$%&’"!()*$%+,,-.-︶实践与经验+软件实现生的范围和次数，

5、使访存地址符合上述分布。具体做法是：先根据内存大小在内存空间内随机产生一（/）操作过程个数作为中心，然后围绕这个中心取一系列大小相首先应选择内存容量并生成模拟访存地址序等的连续的区间，记作区间/，区间+，......，区间5，列，然后设置’0123工作时的几个重要参数：’0123然后从区间/开始，一直到区间5，在每个小区间容量、块大小、映像方式和替换算法等，之后执行模内随机取数。在各个区间内取数的频率不能是各拟以计算本次设置的各参数对应的’0123命中率自相等的，而应是离中心越近则取数频率越高，比值。经过多次改变各参数来

6、模拟就可以对比各个如：区间/、+、4取6个数，区间-、7、8取+6个数，参数对’0123命中率的影响。’0123模拟系统的界⋯⋯，区间95:+;

7、时首先要解决的问题是如何产生待访问的内存地址序列。访存地址序列必须做到数量足够大，并符合程序访存的特点。由于’()在执行程序时服从访存局部性原理，程序是图-顺序执行的，也就是说就是某个地址被访问后，它由于计算机运行时往往有多个进程同步运行，附近的地址也很可能会马上被访问到，并且有些指因此，应该对上面的操作重复执行多次才符合现令和数据，比如子程序、循环程序和常数往往会被实。其中的5和6是可以调整的，通过调整可以比多次访问到。在执行程序过程中，如果遇到了分支现较好地模拟程序访存现实。代跳转的指令，则程序又会跳转到另一处内存地

8、址（4）映像策略的实现计处，因此，内存地址被访问的机会是不相等的，是遵在直接映像方式下，主存中存储单元的数据只算照一定概率分布的随机访问，其具体分布由具体程可调入’0123中对应的一个位置，如果主存中另一机序决定。︵个存储单元的数据也要调入该位置则会发生冲突。假设某段程序的内存访问序列的访问频率大总把主存地址（共>位