Cache Lab：Part A【模拟出使用LRU策略的高速缓存存储器组织结构】

目录

任务描述

知识回顾

实验内容

测试结果

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Cache Lab 对应《CS:APP》6.3节至第六章结束的内容。

任务描述

Your job for Part A is to fill in the csim.c file so that it takes the same command line arguments and produces the identical output as the reference simulator. Notice that this file is almost completely empty. You’ll need to write it from scratch.

A 部分的工作是填写 csim.c 文件，以便它采用相同的命令行参数并生成与参考模拟器相同的输出。请注意，此文件几乎完全为空。你需要从头开始编写它。

（有关参考模拟器：）

我们为您提供了引用缓存模拟器的二进制可执行文件，称为 csim-ref，用于模拟 valgrind 跟踪文件上具有任意大小和关联性的缓存的行为。在选择要逐出的缓存行时，它使用 LRU（最近最少使用的）替换策略。

知识回顾

1. 层次结构中每一层都是缓存，缓存下一层的数据块

2.块

        数据以块大小为传送单元，在相邻两层之间来回复制（不同的相邻两层间传送大小不同，远离CPU倾向于使用更大的块）

3. hit&miss&eviction

4.miss的三种类别

        cold miss（cold cache）

        冲突不命中：与严格的放置策略有关

        容量不命中:工作集比缓存大，也就是缓存太小

5.两类放置策略

        随机放置：靠近CPU的层使用该策略，完全用硬件实现

        更严格的放置策略：下一层的一些块被映射到上一层的同一个位置（类似于哈希，所以冲突miss产生了）

6. 缓存由谁来管理

        硬件

        硬件+软件

        软件

7. 高速缓存存储器

随着CPU和主存性能差距增大，设计者在二者之间加入了L1，L2，L3.本书假设只有L1.

高速缓存的结构可以用元组(S,E,B,m)来描述。

由E的不同分为3种：直接映射高速缓存、组相联高速缓存、全相联高速缓存。

8.三步：

        组选择

        行匹配/行替换

        字抽取

实验内容

注意：

1. 测试用例的地址是以16进制表示的，且是64位地址。

2. 使用getopt时，optarg这个变量不要自己定义。

3. 我用时间戳实现LRU算法，这个效率不是最优的。标准的LRU算法实现见我的这篇文章

4. L和S是不区分的，I是要被忽略的，M相当于L+S

5. 官方可以参考的资料中，尤其要细看15年的习题课PPT和该实验的write up的最后几页内容。

#include "cachelab.h"
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>struct block{int stamp; //LRU的时间戳bool valid;unsigned long long tag;
};// 全局时间
int time = 0;// 预存输出详细信息的字符串
char ** makeInfoString(void)
{char ** infoStr = (char **)malloc(sizeof(char *) * 3);infoStr[0] = "hit";infoStr[1] = "miss";infoStr[2] = "miss eviction";return infoStr;
}// malloc二维数组
struct block ** createTable(int row, int col)
{struct block ** L = (struct block **)malloc(sizeof(struct block *) * row);for (int i=0; i<row; i++)L[i] = (struct block *)malloc(sizeof(struct block) * col);return L;
}// 初始化刚刚malloc出来的二维数组
void initCache(struct block ** L, int row, int col)
{for (int i=0; i<row; i++)for (int j=0; j<col; j++){L[i][j].valid = false;L[i][j].stamp = -1;}return;
}int find(struct block ** L, unsigned long long addr, int S, int E, int B, int m, int b, int s)
{unsigned long long bias = addr & (B-1);unsigned long long index = (addr >> b) & (S - 1);unsigned long long tag = (addr & ~(S * B - 1)) >> (b + s);//printf("t = %llu\ts = %llu\tb = %llu\t\n",tag, index, bias);for (int j = 0; j < E; j++){if (L[index][j].valid && L[index][j].tag == tag){L[index][j].stamp = ++time;return 0; //hit}}for (int j = 0; j < E; j++){if (!L[index][j].valid){L[index][j].valid = true;L[index][j].stamp = ++time;L[index][j].tag = tag;return 1; //miss}}int min_time = 0;for (int j = 1; j < E; j++)if (L[index][j].stamp < L[index][min_time].stamp)min_time = j;L[index][min_time].stamp = ++time;L[index][min_time].tag = tag;return 2; //miss eviction
}void solve(struct block **L, unsigned long long addr, char ** infoStr, int * m_cnt, int * h_cnt, int * e_cnt, int S, int E, int B, int m, int b, int s)
{int ans = find(L, addr, S, E, B, m, b, s);printf("%s", infoStr[ans]);if (ans == 0)(*h_cnt)++;else if (ans == 1)(*m_cnt)++;else {(*m_cnt)++;(*e_cnt)++;}}int main(int argc, char *argv[])
{char ** infoStr = makeInfoString();int S, s, E, B, b, m = 64;bool verbose = false;char filename[100];int opt;// optarg不能在这里定义，否则就覆盖了getopt函数中所用的那个变量while ((opt = getopt(argc, argv, "vs:E:b:t:")) != -1){switch (opt){case 'v':verbose = true;break;case 's':s = atoi(optarg);S = 1 << s;break;case 'E':E = atoi(optarg);break;case 'b':b = atoi(optarg);B = 1 << b;break;case 't':strcpy(filename, optarg);break;}}printf("S = %d\ns = %d\nE = %d\nB = %d\nb = %d\nfilename = %s\n", S, s, E, B, b, filename);struct block ** L = createTable(S, B);initCache(L, S, B);// std IOFILE * fp = fopen(filename, "r");if (fp == NULL) exit(-1);//读一行char line[100];char op;unsigned long long addr;int size;int m_cnt = 0, h_cnt = 0, e_cnt = 0;while (fgets(line, 100, fp)){	// 忽略是I的行if (line[0] != ' ') continue;sscanf(line, " %c %llx,%d\n", &op, &addr, &size);line[strlen(line)-1] = '\0';printf("%s ", line);solve(L, addr, infoStr, &m_cnt, &h_cnt, &e_cnt, S, E, B, m, b, s);// 如果是Mif (op == 'M'){printf(" hit");h_cnt++;}printf("\n");}printSummary(h_cnt, m_cnt, e_cnt);return 0;
}

测试结果