CSAPP:CacheLab实验

转载自：https://blog.csdn.net/weixin_42294984/article/details/80738945?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg

趁期末考试复习了《深入理解计算机系统》第六章，进一步了解了cache的原理。想着写篇博客帮助巩固一下。有些地方写得可能不是很好，希望多多包涵，同时也欢迎指出。

cachelab一共分为两部分，PartA是让你模拟cache运行的过程，就是模拟cache的行为。PartB是一个矩阵转置，给出了三种规模，你的任务就是尽可能的提高高速缓存的命中率，它会根据你的miss，hits，eviction这三个值的大小进行打分，评分的范围已给出。

好啦实验介绍完毕。下面开始进入正式环节。

PartA

这是原版文档的要求。大概就是告诉你它只是一个模拟缓存的行为并不是真实缓存，内存的数据不用存储，不使用块偏移，因此地址种b并不重要，简单的计算hits、miss、evictions的值。然后就是你的模拟器需要适用于不同的（s，b，E），同时给出运行时间。最后就是要求你使用这个LRU最近最少使用策略，意思就是使用这个策略进行行的牺牲，因此cache发生miss的时候，就会从它的k+1层存储器读取新的拷贝，假设在空间已满的情况下（未满的时候不需要替换行）,新读取的数据需要存储在cache里面，但空间已满，只能选择驱逐（原文是驱逐的意思，也就是覆盖某一行），然后覆盖的方法就是这个LRU策略。LRU策略就是：选择那个最后被访问的时间距离现在最远的块。代码体现的话就是给cache的每一行绑一个Lrunumber，这个值越小（你也可以设置为最大，随自己喜欢）表示它最后一次被访问的时间距离现在最远，可以作为牺牲行。

一、那么模拟一个cache的行为需要用到哪些变量？

cache有组数S、一组包含的行数E，存储块的字节大小B，cache的容量C（C=S*E*B)

地址的构成：标识位t、组索引s、块偏移b（前面说了实验不使用块偏移，但计算标记位的时候需要用到）

示意图：

我简单解释下上面说的这些变量：

首先是cache的构成:

cache有2^s组，每组有E行（E分为三种情况：E=1，称为直接映射高速缓存；1

以上这些都可以从那个原版的PPT读取，只是我讲得更详细些，这也是我自己的理解。

二、自带函数的介绍：

cache.h里面自带了一些函数，PPT给出了要用到的几个的介绍：

1.getopt（）

如果函数声明丢失，则在Unix命令行上自动解析元素，通常在循环中调用以检索参数，它的返回值存储在局部变量中，

当getopt（）返回-1时，没有更多的选项。（百度翻译的）一句话就是它是解析你的那个命令行的。

2.fscanf（）

读入测试文件的，自带有调用就好了。具体使用方式如下：（写的时候粘贴复制一下就好了。）

FILE * pFile; //pointer to FILE object
pFile = fopen ("tracefile.txt",“r"); //open file for reading
char identifier;
unsigned address;
int size;
// Reading lines like " M 20,1" or "L 19,3"
while(fscanf(pFile,“ %c %x,%d”, &identifier, &address, &size)>0){
// Do stuff
}

fclose(pFile); //remember to close file when done

3.Malloc/free

分配和释放内存空间的函数。

具体用法如下：

Some_pointer_you_malloced = malloc(sizeof(int));

Free(some_pointer_you_malloced);

分配了内存用完的时候记得释放，还有不要释放没有分配的内存。

三、根据（一）可以写出下面结构体：（基于c语言）

定义行的属性：

typedef struct{

    int valid;       //有效位
    int tag;          //标识位
    int LruNumber;   //牺牲行的时候要用的，具体上面说了。
} Line;

定义组的属性：
typedef struct{
    Line* lines;    //用于存储一组中包含的行
} Set;

定义cache的属性:
typedef struct {
    int set_num;    //组数
    int line_num;   //行数
    Set* sets;      //cache的空间，模拟cache
} Sim_Cache;

四、函数实现：

1.getopt(),命令行解析函数，主要用来解析你输入的那个命令。命令中包含的关键字就那么几个，s，E，b，v(是否打印标记位和组索引）atoi函数是将字符转换成整数的函数。

2.文本处理函数，也就是读入测试文件的，直接用它自带的fscanf就好了。在cache.h那个头文件里面。

3.检查参数合法性：主要目的就是检查输入的命令是否合法。

4.打印帮助文档的函数，当输入的命令出错的时候，运行这个函数，也就是说你解释一下这些关键字代表的意思就好啦。

5.更新Lru计数值的函数：访问第x组E行，根据标记为将该行的LRU设置为最大值，然后其它行用一个for循环减一即可。

6.查找牺牲行的函数:

遍历找出第x组，找到最小的LRU所在的行，那么该行就是牺牲行。关于怎么找，无非就算设置标记位，不断比较和更新即可。

7.判断是否命中：命中在前面说了，要满足两个条件：（1）设置了有效位；（2）请求的地址的标记位与cache地址的标记位一致。最后记得更新一下Lru计数值。

8.更新高速缓存cache的函数：cache的容量有限，当满的时候需要牺牲行（或者说驱逐某行），先遍历当前组，判断它满了没有，如何判断是否满，可以遍历所有的行，只要有一个有效位为0，（有效位的作用是说明该行是否存储了数据，通俗的理解就是是否为空）则该组未满。如果没有满的话：将有效位不为1的那一行更新有效位为1，同时更新标记位和LRU计数值。如果满了，找出最小LRU所在的行作为牺牲行。

9.读取数据的函数，亦即操作L：指导PPT上说命中则hit++，不命中则miss++且如果牺牲行eviction++，如果有v指令就打印访问结果。那么可以用一个标记来判断是否有-v指令。

10.存储数据的函数，亦即操作S：原理跟L操作一样也是修改标记位和组索引指令的，然后调用一下L操作那个函数即可。

11.修改数据的函数，亦即操作M:这个操作实际就是执行了一次L和一次S。

12.获取标记位和组索引：前面说了一个当要访问一个地址（暂且称为请求地址吧）的内容时，这个请求地址是这样的结构：标记位(t) 组索引(s) 块偏移(b)，然后cache中地址的结构：有效位(v) 标记位(v) 数据块(B)。我们现在的任务是从这个请求地址中获取t和s，才能从cache中寻找需要访问的内容。地址位数未知，但问题不大，比如我求标记位的时候直接将它右移到最右边即可，组索引由于右移的时候带着标记位，因此要和一个数与运算一下，把它“剪”下来。

13.最后写一个初始化cache的函数就好了。

14.main函数代码：

hit、miss、eviction三个变量定义成全局好些。

然后贴一下运行的结果图：（对比标准的缓存与自己写的缓存，引用标准的缓存程序加-ref）

yi.trace的内容如下:

它就是测试了这7条指令。下面我们来简要分析一下：

1.对于地址0x10进行访问：(标蓝的表示组索引）
x10=0000...0001 0000，块偏移值为最低四位，故组索引s=1;
一开始的时候cache是空的，因此第一次访问的时候为miss。
2.执行指令M 20，连续对地址0x20进行连续两次访问：
0x20=000...0010 0000，组索引s=2;
所以第一次访问的时候没有要的内容，访问结果为miss；然后cache从低一级存储器读取第一次访问需要的内容，第二次访问的时候有需要的内容且标记位相等，所以第二次访问的时候结果为hit；
3.对地址0x22进行访问：
0x22=000...0010 0100，组索引s=2;
由于操作2以将该块存入高速缓存且标记位都相等，故结果为hit;

4.对地址0x18进行访问：

0x18=000...0001 0100,组索引s=1；

由于之前的操作，该块已存入高速缓存且标记位都为0，故访问结果为hit

5.对地址0x110进行访问：

0x110=000...0001 0001 0000 故组索引s=1；

操作4将该块存入高速缓存了但标记位不相等，故访问结果为miss,发生一次eviction；

6.对地址0x210进行访问：

0x210=000...0010 0001 0000，故组索引s=1，这里标记位为2跟操作5读取新的行的标记位不匹配，故访问结果为miss,cache读取新的行，发生一次eviction。

7.对地址0x12进行连续两次访问：

0x12=000...0001 0010,组索引s=1;

第一次访问结果为miss，因为在操作6的时候发生了一次行替换把该块驱逐了即使标记位相等,cache重新读取该块，发生一次eviction，那么第二次肯定为hit。（跟操作1类似的）

故总共：hits=4 ； miss=5；eviction=3；

下面是打分的运行图：

运行指令./test-csim:

可以看到跟标准的缓存一样，但还有地方可以优化，期待大佬指出！

PartB：
PartB我就不做过多的赘述了。

以下是PartB的一些要求：

1.最多只能定义 12 个局部变量

2.不使用任何的数组，不调用任何类似于 malloc 的开辟内存的函数

3.测试矩阵的规模为 32 × 32，64 × 64，61 × 67

4.测试 cache 的组成：32 组， 每组一行，每个块 32 字节。对于编写的函数，miss 个数越少越好。

PartB打分规则如下：

矩阵转置让我联想到上次perlaba实验对图像旋转时用的分块处理方法，这里可分成32x32，16x16，8x8，4x4,cache每块的字节数是32，也就是8个int，因此为了有效地利用cache的块容量，选取8x8的分块效果是最好的。

首先编写处理32x32的函数：

  分块后，对角线上的块由于位置没有改变，所以需要另外处理。（否决了）尝试了很久之后我换一种方法，就是我直接将每一块的八个int直接取出来就好了。就算是对角线的元素也满足。代码如下：

运行结果如图：

满分，效果不错，是否64x64也能继续沿用这种办法呢？试一试咯。

 

 当矩阵规模增到到64x64的时候，由于矩阵规模比较大，无法在cache的一行全部加载矩阵的一行，还是先分成8x8的块。我处理是思路是这样的：每次处理一个块，也就是像32x32那样取出每行的8个元素，然后将 每行的0-3号元素正常的放到B[0-3][0]这些位置去（也就是正常的转置),剩下的四个元先放置B矩阵4x4块的最右边保存，注意这个时候我已经取出来了。然后再用一个循环去把这些值放到B正确的位置去，然后A[4]到A[7]也是上述的处理。对整个矩阵重复这个操作即可。简单的示意图如下：

但是这个方法有个缺点，就是越到后面用来存储最后四个元素的空间就越少（这个肯定是一个能优化的地方，我暂时没想到如何解决，期待大佬指出！)

参考代码如下：

运行结果如图：

有大佬优化那个miss到1123，我相信我这个优化了上面说的那个问题也能达到那个值。又是一个满分，因为不满分不做下一个2333。

最后是61x67,乍一看这玩意的size有点稀奇，还想引用刚才的分块大小，但是给了我一个invild！不得不放弃这种办法了，后来想过增大分块的大小，之前说8x8的分块效果是最好的，那只是针对32x32或者64x64这种跟cache的容量大小成倍数关系的矩阵，而且也不一定非要用8x8的分块啊！后来我调整了分块的大小，测试了四组，最终确定17是最好的。

贴图贴图:

1.8x8:

1913还能接受，起码得到满分了。但还可以继续优化!

2.16x16:

emmm,下降明显!继续增大看看。

3.17x17:

下降的幅度很小了，所以到这里差不多了，但还是增大看看。

4.18x18：

大于18的都不用考虑，这里开始miss上升了。

然后贴个最终的运行截图吧。

运行命令：./driver.py:

有写得不好的地方欢迎指出。

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