Cache实验设计报告

cache硬件设计实验总结
一、实验内容
本次实验主要是简单熟悉cache硬件设计的基础，以及学习cache在系统中的应用。

学习的主要内容有：
1、cache硬件结构，包括cache的分类、cache的结构及工作原理；
2、cache替换算法的概述；
3、cache的动态优化。

二、实验目的
通过本次实验，学生可以掌握cache的硬件结构，理解cache 的替换算法，以及cache的动态优化，为以后学习更深入的cache 知识打下扎实的基础。

三、实验过程
1、首先，学生阅读有关cache硬件结构的相关资料，理解cache的分类、结构及工作原理；
2、然后，学生学习cache的替换算法，如最近最久未使用（LRU）、先进先出（FIFO）、最佳置换（OPT）等；
3、接着，学生了解cache的动态优化，学习cache置换算法的变种，以及新型cache技术，如组织优化（Organize）、负载均衡（Load Balance）等；
4、最后，学生自己动手实现cache的编程，并用调试工具检测cache的程序是否正确。

四、实验总结
经过本次实验，我们对cache的硬件结构、替换算法、动态优化有了更加全面的认识，并且深入理解了cache在系统中的应用，锻炼了我们的编程能力。

同时，我们在实验中，也提升了自己的专业技能，为以后学习打下扎实的基础。

体系结构实验报告实验目的通过程序，模拟cache存储过程，并通过控制变量法模拟分析Cache性能实验步骤:我们要通过老师所给程序进行模拟，并通过操作系统试验中老师所给算法生成出project.txt ，并通过project.txt 里面的数据来模拟程序的局部性等特性。

实验结果1、比较关联方式，控制blockSize, CacheSize 不变:（1）、Direct_mapped(2) 、Set_associate:(3) 、Fully_associate通过上述三个比较可以看出，各种映射有自己的优点。

但是不难看出，增大关联度会减小miss rate，但是增加到一定程度又会有抑制作用。

2.比较Cache大小对于性能的影响。

（1）、Direct_mapped，Cache容量为64 时：(2rDirecflmapped〉Cache朿*R128 手(3r Direcflmapped〉Cache助*R256口F一pwsef 峑s 2O J I 0\^J.e e K ^g 63-L w g <J g -f aJnnnrEd理"巧 nmrMecIrlxMLH肆一事呼LJw匸-dJ-LUfJF U »»a iB cinIJr ltRn x li 黑鱼*=£1K s 1!蚯c a p w p llrt t M:C4mw JLl n rll n i H HHi L n h != l£lx-瞌忻恥f*<41.匸«F 23L L/2\.*X «礼 j !H F i <n对比实验结果，不难发现，随着Cache容量的增加，Cache的命中率一直在提升。

分析原因发现，虽然Cache容量大了，但并不等于其预存的内容增多，所以命中率会上升。

3、比较Cache大小对于性能的影响。

（1）、Direct_mapped，关联度为 1 时：(2)、Direct_mapped，关联度为2 时:(3)、Direct_mapped，关联度为4 时:(4) 、Direct mapped ，关联度为 8 时:I ■ C -\LI wrs 1.11uwei mo\Dw_-m e ts'_Vi EUUI I ^tud o l£f Pre e-crE\tt. q\Dfft!uq\ti'g.-i-j rIE Is-* -IrMHiF OP n tiny Ret U <A lun f 1± flhissH41# a 聊C4pnic4tv Conflictnx5S(5) 、Direct map ped ，关联度为 16 时:可以看出，随着关联度的提高，命中率也有所增加Canipuilsnry 1XSE-hH MuflfafiP = I44.MIUUM1Ace R -S3 NumWr ■寸-F口寸 灭 」eqlunu>loo-q〈 p ①ddelu —10①」一q <(L)S33I・鹫詡M us y u s L l's童wr#*■L 書-E .f n -sr e U F K e$us.H92m £百1-■阿*E戏*%贰％严一&丫A*u-uk s ?£Lc 』 C3"f l a毒* 1和4£sE E *B J W11v m 「>!5q言石-d ^l L l e l迟E n p xll -,.I 曰右号v d d -o'w -o M n 「口釜l Y ci-te L ^R 」eqlunu>loo-q 〈 p ①ddelu —10①」Q <通过以上三组数据不难看出，当block number增加时，命中率明显增高了。

计算机组成与体系结构课程设计报告题目：现代计算机cache技术的研究学生姓名：谱学号： 10204102班级：10204102指导教师：谌洪茂2013 年1月6日摘要随着集成电路制造技术的持续发展,芯片的集成度和工作速度不断增加,功耗密度显著增大,功耗已经成为计算机系统设计中与性能同等重要的首要设计约束。

在现代计算机系统中,处理器速度远远高于存储器速度,Cache作为处理器与主存之间的重要桥梁,在计算机系统的性能优化中发挥着重要作用,但Cache也占据着处理器的大部分能耗。

处理器及其Cache存储器是整个计算机系统能耗的主要来源,降低其能耗对于优化计算机系统,特别是嵌入式系统,有着重要的意义。

本文主要研究体系结构级的低能耗技术,利用优化Cache结构和动态电压缩放两种技术来实现处理器及其Cache的低能耗。

本文首先详细地分析了低能耗Cache技术的研究现状,将该技术总结为基于模块分割的方法、基于路预测的方法、添加一级小Cache的方法、优化标识比较的方法和动态可重构Cache的方法等五大类,并在此基础上,提出了带有效位预判的部分标识比较Cache、带有效位判别的分离比较Cache、基于程序段的可重构Cache等三种Cache结构。

然后从不同的实现层面分析比较了现有的电压缩放技术及其缩放算法,提出了一种基于程序段的动态电压缩放算法。

最后结合可重构Cache和动态电压缩放技术,提出了一种基于程序段的可重构Cache及处理器电压自适应算法。

本文通过仿真实验证明了上述几种方法的有效性。

本文所取得的研究成果主要有: 1.一种带有效位预判的部分标识比较Cache(PTC-V Cache)。

组相联Cache实现了高命中率,但同时也带来了更多的能耗。

本文针对组相联Cache,提出了一种带有效位预判的部分标识比较Cache,它能够有效地节省Cache中信号放大器和位线的能耗。

结果表明,PTC-V Cache平均能够节省指令Cache中约55%的能耗。

Cache模拟器一、实验目标：程序运行时，都会对内存进行相关操作，所访问的内存地址可以被记录下来，形成memory trace文件。

在本实验中，你将使用benchmark 程序产生的memory trace文件来测试Cache命中率，文件可以在/classes/fa07/cse240a/proj1-traces.tar.gz上获得。

每次存储器访问都包含了三个信息：1.访问类型，’l’表示Load操作，’s’表示Store操作；2.地址。

采用32位无符号的十六进制表示；3.存储器访问指令之间的间隔指令数。

例如第5条指令和第10条指令为存储器访问指令，且中间没有其他存储器访问指令，则间隔指令数为4。

通过写一段程序，模拟Cache模拟器的执行过程。

二、实验要求：写一段程序模拟Cache模拟器的执行过程，并对5个trace文件进行测试，完成以下目标：1.请统计Load类型指令和Store类型指令在这5个trace文件中的指令比例。

2.设Cache总容量为32KB，对以下所有参数进行组合（共有72种组合），测量相应5个文件的Cache命中率。

通过对命中率的分析，可以发现什么规律。

行大小：32字节、64字节、128字节相连度：8路相联、4路相联、2路相联、1路相联替换策略：FIFO，随机替换，LRU写策略：写直达、写回3. 给出5个文件的最佳Cache命中率的参数组合。

针对不同的trace 文件，最佳配置是否相同。

4. 测量各种组合下Cache和主存之间的数据传输量。

5. 给出5个文件的最小数据传输量的参数组合。

这个组合和第3问中得到的组合是否一致。

针对不同的trace文件，最佳配置是否相同。

6. Cache缺失有三种原因：1）强制缺失；2）容量缺失；3）冲突缺失。

分析这三种缺失并说明你的分析方法。

7. 请给出5个trace文件在最优Cache命中率的情况下，这三种缺失所占的比例，并和教材图C.8给出的比例进行比较。

路预测指令cache的设计与实现的开题报告一、选题背景在计算机系统中，CPU是非常关键的部件，因为它解决了指令的执行问题。

为了使CPU能够更加高效地执行指令，现代CPU使用了缓存技术。

缓存是指一种在CPU与内存之间增加的高速存储器，它可以将常用的数据和指令存储在高速存储器中以提高CPU的访问速度。

路预测指令cache是一种特殊的缓存，它用于提高指令的预测精度，从而提高CPU的执行效率。

二、研究内容本文的研究内容是路预测指令cache的设计与实现。

路预测指令cache是一种用于提高指令预测精度的cache，它使用了多条预测路，可以更准确地预测指令的执行路径。

具体地，本文将从以下几个方面进行研究：1. 路预测指令cache的基本原理和工作流程：介绍路预测指令cache的基本原理和数据结构，以及其工作流程。

2. 路预测指令cache的设计与实现：介绍路预测指令cache的设计和实现过程，包括预测路的数量、替换算法的选择、预测器的实现、预测结果的保存和传递等。

3. 路预测指令cache的性能评估：使用实验的方法对路预测指令cache的性能进行评估，测试其预测精度、访问延迟、命中率等性能指标。

三、研究意义路预测指令cache的设计与实现在理论与实践上都具有重要的意义。

从理论上，它可以为指令预测技术的研究提供新的思路，并为相关研究领域的进一步发展提供了有益的参考。

从实践上，它可以帮助CPU提高指令的执行效率，提升计算机系统的整体性能。

四、研究方法与步骤1. 调研相关文献，了解当前路预测指令cache的最新研究进展和技术发展趋势。

2. 设计路预测指令cache的数据结构，选择预测路的数量，确定替换算法等重要参数，并进行预测器的实现。

3. 对设计的路预测指令cache进行性能测试，测试评估其预测精度、访问延迟、命中率等性能指标。

4. 分析实验结果，总结路预测指令cache设计与实现的优缺点，并提出进一步的研究方向和改进建议。

计算机组成原理实验报告-Cache模拟器的实现实验内容：1、启动CacheSim。

2、根据课本上的相关知识，进一步熟悉Cache的概念和工作机制。

3、依次输入以下参数：Cache容量、块容量、映射方式、替换策略和写策略。

Cache容量块容量映射方式替换策略写策略256KB 8 Byte 直接映射------ -------64KB 32 Byte 4路组相联 LRU -------64KB 32 Byte 4路组相联随机--------8KB 64 Byte 全相联 LRU ---------4、读取cache-traces.zip中的trace文件。

5、运行程序，观察cache的访问次数、读/写次数、平均命中率、读/写命中率。

思考：1、Cache的命中率与其容量大小有何关系？2、Cache块大小对不命中率有何影响？3、替换算法和相联度大小对不命中率有何影响？实验步骤与预习：实验步骤：1、启动CacheSim。

2、根据课本上的相关知识，进一步熟悉Cache的概念和工作机制。

3、依次输入以下参数：Cache容量、块容量、映射方式、替换策略和写策略。

4、读取cache-traces.zip中的trace文件。

5、运行程序，观察cache的访问次数、读/写次数、平均命中率、读/写命中率。

预习：Cache:高速缓冲存储器高速缓冲器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片（SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。

Cache的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据。

目的是提高CPU对存储器的访问速度。

工作机制：主要由三大部分组成：Cache存储器：存放由主存调入的指令与数据块。

地址转换部件：建立目录表以实现主存地址到缓存地址的转换。

替换部件：在缓存已满时按照一定的策略进行数据块替换，并修改地址转换部件。

实验结果：一般而言，cache用量越大，其cpu命中率越高，当然容量也没必要太大，当cache 容量达到一定的值时，命中率不因容量的增大而有明显的提高。

计算机体系结构——Cache模拟器实验实验报告姓名崔雪莹学号12281166班级计科1202班老师董岚2015年06月07日一、阅读分析附件模拟器代码 (4)1、关键参数 (4)2、关键算法 (5)二、课后习题 (8)1、习题内容 (8)2、题目分析 (8)3、计算及结果 (9)4、模拟器上实验结果检验 (11)三、整体分析 (15)1、三种映射方式对Cache效率的的影响 (15)2、block块大小与Cache容量对Cache效率的影响 (16)3、Cache容量与相连度对Cache效率的影响 (17)4、三种失效类型影响因素 (18)四、实验思考和感受 (21)1、关于模拟器的思考 (21)2、关于整个实验的思考 (22)一、阅读分析附件模拟器代码1、关键参数（1）用户可见参数：（用户通过命令行输入参数）（2）程序内部主要参数：（代码内部重要参数）2、关键算法注：这里不粘贴代码，只是进行简单的代码算法说明（1）块地址表示：注：图是我按照自己的想法自己画的，可能有些地方并不准确，望老师指正。

图中以一个例子来解释cache模拟器中block和数据地址的关系，以及和组地址和标志位的关系。

（2）Index与tag：由上面计算：index = blockaddress % NOofset index = 16 % 8 = 2tag = blockaddress / Noofset tag = 16/8 = 2以上例，字地址16为例，写成二进制为0001 0010 B，其中组数为8，又因为2^3=8，所以字地址取后3位为：index = 010 B = 2 ，取前29位为：tag = 0…0010 B = 2 。

所以，算法与理论是一致的。

（3）Valid：有效位。

当通过上述方式寻址找到了数据存放的数据块，接下来判断有效位：有效位为1，说明数据是有效的，可以从block提取数据；有效位为0，说明块里的数据是无效的，所以不能从block提取数据，出现miss，此时判断miss类型，同时需要访问内存或下一级存储，将数据放到cache里。

计组实验报告【实验名称】：基于MIPS的Cache设计与实现【实验目的】：通过设计、模拟和测试基于MIPS的Cache，理解和掌握Cache的基本原理和实现方法，加深对计算机组成原理的理解和应用。

【实验设备】：Xilinx ISE Design Suite 14.7、Verilog HDL仿真工具、Mars模拟器。

【实验原理】Cache是计算机系统中重要的存储器层次结构，它可以提高访问速度，降低访问延迟。

Cache是一种由高速存储器和控制电路组成的存储器，它的作用是缓存主存中最近使用过的指令和数据，当下一次需要使用这些指令和数据时，可以直接从Cache中获取，而不需要访问主存，从而提高访问速度。

计算机系统中的Cache存储器既可以用硬件实现，也可以用软件实现。

MIPS Cache包括指令Cache和数据Cache两个部分。

指令Cache用于存储CPU需要的指令，而数据Cache用于存储CPU需要的数据。

Cache中的每一个存储块叫做一个Cache 行，每一个Cache行包括若干字块，每一个字块包括若干字节。

Cache行的大小一般是2^n 个字节。

Cache使用一种叫做Cache命中的技术，通过判断当前CPU需要的数据是否在Cache中来确定是否需要访问主存。

如果当前CPU需要的数据在Cache中，则称为Cache命中，可以直接从Cache中获取数据；如果当前CPU需要的数据不在Cache中，则称为Cache未命中，需要从主存中获取数据。

Cache有三种常见的替换算法：随机替换算法、先进先出（FIFO）替换算法和最近最少使用（LRU）替换算法。

随机替换算法是最简单的方法，它实现起来比较简单，但是效率不高。

FIFO替换算法是一种比较简单的替换算法，它在实现的时候需要维护一个队列来保证替换最早进入Cache的数据，但是这种算法无法适应程序的访存局部性。

LRU替换算法是一种比较复杂的替换算法，它需要维护一个使用时间序列来记录各数据块被使用的时间，当需要替换时，选择使用时间最旧的数据块替换掉。

cache硬件设计实验报告摘要:本文介绍了 cache 硬件设计的基本原理和实现方法，并通过一个具体的实验案例，展示了如何通过 cache 硬件设计来提高计算机系统的性能。

实验过程中使用了 NVIDIA CUDA 平台，实现了一个基于 cache 硬件设计的并行计算框架，用于处理大规模图像数据。

通过实验验证，该框架可以有效地提高图像数据处理的效率，并与传统的并行计算框架进行比较，结果表明 cache 硬件设计可以有效地提高计算机系统的性能。

关键词:cache、硬件设计、并行计算、图像数据处理、CUDA一、实验背景随着计算机图像处理、深度学习等领域的快速发展，对计算机系统的性能提出了更高的要求。

为了提高计算机系统的性能，越来越多的研究人员开始研究基于 cache 硬件设计的并行计算框架。

cache 硬件设计可以通过优化数据访问顺序，提高计算机系统的数据预取能力，从而提高计算机系统的性能。

在图像处理、深度学习等领域中，大量的数据需要进行并行处理，因此 cache 硬件设计成为了一种非常重要的并行计算框架。

二、实验目的本文旨在通过 cache 硬件设计实验，验证 cache 硬件设计对于计算机系统性能的提升作用。

具体实验目的是:1. 验证 cache 硬件设计是否能够提高计算机系统的数据预取能力;2. 验证 cache 硬件设计是否能够提高计算机系统的效率;3. 比较 cache 硬件设计和传统的并行计算框架在图像处理领域的性能差异。

三、实验方案1. 实验环境本文的实验环境采用 NVIDIA CUDA 平台，操作系统为 Linux。

实验中使用的 GPU 为 GeForce GTX 1080，内存为 8GB。

2. 实验框架本文的实验框架采用基于 cache 硬件设计的并行计算框架，具体包括以下三个模块:模块一:cache 硬件设计模块。

该模块实现一个基于 CUDA 点多线程并行计算框架，用于处理大规模图像数据。

4路组相联cache设计实验报告实验报告一、实验目的本实验旨在实现4路组相联cache的设计，并用科学方法评价其性能。

二、实验内容（一）实现4路组相联cache实现4路组相联cache的功能，具体内容如下：1. 设计cache结构：设计4路组相联cache的数据结构；2. 编写读取程序：编写程序从cache中读取数据；3. 代码实现：利用设计的结构，实现cache的功能程序；4. 性能评估：采用科学可靠的方法评估程序的性能。

（二）运行实验1. 选择测试数据：采用规范的测试数据集，以便对结果进行科学评价；2. 调参：根据不同特征的数据集，调动cache结构上的参数，以获取最优性能；3. 性能评估：运行不同参数设定，定量评估4路组相联cache性能；4. 绘制图表：根据实验结果，绘制折线图，可视化实验结果。

三、实验结果（一）实验数据实验采用了５张不同特征的数据表作为评估数据，见表1：表1 测试数据表数据集特征Row数 100Column数 10每行中数值型字段 5每行中日期字段 2每行中字符字段 3每行数据大小 100 Byte（二）实验结果1. cache结构改进：依据不同测试数据表，改进cache结构，并增加数据对应的查找时间；2. 程序性能：以三种不同的参数设定ֵ，计算4路组相联cache的运行结果，得出的读取时间与标准时间的误差依次为：－４０％，＋５０％，＋２０％。

3. 结果图表：根据实验结果，绘制折线图，图1为示例：四、结论根据本实验结果，用4路组相联cache实现cache功能，查找数据的时间可以大幅度降低，实现了cache的高性能。