CSAPP实验四——cache lab实验（一）
在学完《深入理解计算机系统(CSAPP)》第六章有关存储器层次结构方面的知识后，就可以着手做cache lab的实验了。实验分为两个部分，这篇博客只聊聊自己在做第一部分的一点心得。思路部分也是参考了网上其他大神的想法，如果有写的不对的地方，欢迎大家在评论区指出。
cache lab的第一个实验是写一个程序模拟高速缓存的行为。需要注意的是这个程序仅仅需要模拟判断命中、替换算法和牺牲行的驱逐三个功能，不需要考虑缓存里块中存储的所需要读写的数据到底是什么。最后呈现的方式也是读取一系列内存读取的指令，给出命中、不命中和驱逐次数。
压缩文件中包含了一个csim-ref的可执行文件，我们写的程序csim功能上需要与这个csim-ref基本类似，至少对于相同内存读写时命中、不命中和驱逐次数三个数值相同。所以我们不妨看看csim-ref的基本情况。
根据压缩包里提供的帮助文档，可以知道在控制台输入的参数格式如下：
其中加上参数v后，会把每一条指令是什么类型（L, M, S)，读写内存大小和是否命中是否驱逐的信息逐行逐指令一一显示。而如果不加参数v只会显示做完所有指令后统计的命中、不命中和驱逐次数的和。
再来看指令的格式
I表示读指令，在这个实验中不需要考虑。L表示加载、S表示存储，由于这个实验只需要模拟命中和驱逐次数这些，与内存块内数值是什么并没有关系，所以可以将L和S看成同一个对缓存的操作。M表示修改，对应一个加载一个存储，所以可以看成两个操作。
理清思路后就可以着手码代码了。
1. 前期准备
首先定义相应结构体类型，回忆书上讲的内容，我们知道缓存可以看成一个很大的数组，数组中是由一个个组构成，组是由行来构成的，行是由标识位、有效位和块来组成。
这里由于实验我们不关心块的具体内容，所以可以在行中省去块的部分。同时每个行需要一个用来表示替换算法LRU优先级的数值，表示在没有空行时如果不命中需要优先替换组内的哪一行。在这里我定义这个数值为LRUcount，当这个数值越大则其越容易被替换，被访问后或被替换后这一行的数值被重置为0。
//行
typedef struct{
int valid; //一行的有效位（1表示有效）
int tag; //一行的标识位
int LRUcount; //LRU替换优先级(越大替换优先级越高）
}Line;
//组
typedef struct{
Line* lines;
}Set;
//缓存
typedef struct{
Set* sets;
int numset; //组数
int numline; //行数
}Sim_cache;
接着写从控制台得到对应的s, E, b等选项参数的输入，参考了其他博客调用的是Linux C下的getopt()函数。需要包含头文件
getopt()函数原型如下：
int getopt(int argc,char * const argv[ ],const char * optstring);
其中第三个参数传入的字符串就是命令行输入参数对应的格式。有冒号的表示该选项需要参数，全域变量optarg 即会指向此额外参数。这样就可以得到s, E, b这些数值。
关于getopt()函数的详细解释可以参考链接
void getOpt(int argc, char** argv, int *verbose, int *s, int *E, int *b){
char ch;
while( (ch=getopt(argc, argv, "hvs:E:b:t:") )!= -1 ){
switch(ch){
case 'h' : printHelpMenu(); break;
case 'v' : *verbose = 1; break;
case 's' : *s = atoi(optarg); break;
case 'E' : *E = atoi(optarg); break;
case 'b' : *b = atoi(optarg); break;
case 't' : tracename = (char*)optarg; break;
default : printHelpMenu(); exit(0);
}
}
}
依葫芦画瓢，模仿csim-ref的参考文档写出csim相应的打印帮助信息函数。
void printHelpMenu(){
printf("Usage: ./csim-ref [-hv] -s -E -b -t \n" );
printf("Options:\n");
printf(" -h Print this help message.\n");
printf(" -v Optional verbose flag.\n");
printf(" -s Number of set index bits.\n" );
printf(" -E Number of lines per set.\n" );
printf(" -b Number of block offset bits.\n" );
printf(" -t Trace file.\n\n" );
printf("Examples:\n");
printf(" linux> ./csim-ref -s 4 -E 1 -b 4 -t traces/yi.trace\n");
printf(" linux> ./csim-ref -v -s 8 -E 2 -b 4 -t traces/yi.trace\n\n");
}
2. 核心功能
核心功能之间的逻辑关系和实现见下图
其中红色的标注judgeHit(), judgeFull(), Eviction()和updateLRU()分别是实现相应功能的四个函数。整个逻辑关系还需要用updateCache()一个大函数来整合。
//判断是否命中
int judgeHit(Sim_cache* sim_cache, int set_idx, int curTag){
int nl = sim_cache->numline;
for(int i=0; i< nl ; i++){
if(sim_cache->sets[set_idx].lines[i].valid == 1 && sim_cache->sets[set_idx].lines[i].tag == curTag){
//表示命中了，只需要更新LRU数值
updateLRU(sim_cache, set_idx, i);
return 1;
}
}
return 0;
}
//判断这一组行是否满了(都满了返回-1）
int judgeFull(Sim_cache* sim_cache, int set_idx){
/*如果这一组中有行未满，则返回行号，如果行都被占用了则返回-1*/
int nl = sim_cache->numline;
for(int i=0; i < nl; i++){
if (sim_cache->sets[set_idx].lines[i].valid == 0 )
return i;
}
return -1;
}
//组内行都满了则寻找需要被替换的行
int Eviction(Sim_cache* sim_cache, int set_idx){
/*找到组内LRU最大的行,返回行号*/
int replace_line=0;
int maxLRU = -1;
int nl = sim_cache->numline;
for(int i=0; i < nl; i++){
if (sim_cache->sets[set_idx].lines[i].LRUcount > maxLRU ){
maxLRU = sim_cache->sets[set_idx].lines[i].LRUcount;
replace_line = i;
}
}
return replace_line;
}
//更新LRU的数值
void updateLRU(Sim_cache *sim_cache, int set_idx, int line_idx){
/*LRU越大表示下次越有可能覆盖它，最小为0（表示刚刚访问）*/
int nl = sim_cache->numline;
for(int i=0; i < nl; i++){
sim_cache->sets[set_idx].lines[i].LRUcount ++ ; //这一组其他的行都LRU都增1
}
sim_cache->sets[set_idx].lines[line_idx].LRUcount = 0;
}
//整合上面四个函数，实现每次读写缓存的操作
void updateCache(Sim_cache* sim_cache, int set_idx, int curTag, int verbose){
//整合一系列操作（判断命中，未命中判断是否需要进行行的替换）
if(judgeHit(sim_cache, set_idx, curTag)){
//命中后操作
hitcount++;
if(verbose) printf("hit ");
}else{
misscount++;
if(verbose) printf("miss ");
//未命中先判断是否有空行
int replace_line = judgeFull(sim_cache, set_idx);
if(replace_line != -1){
sim_cache->sets[set_idx].lines[replace_line].valid = 1;
sim_cache->sets[set_idx].lines[replace_line].tag = curTag;
updateLRU(sim_cache, set_idx, replace_line);
}else{
evictioncount++;
if(verbose) printf("eviction ");
replace_line = Eviction(sim_cache, set_idx);
sim_cache->sets[set_idx].lines[replace_line].valid = 1;
sim_cache->sets[set_idx].lines[replace_line].tag = curTag;
updateLRU(sim_cache, set_idx, replace_line);
}
}
}
每次进行读写操作时都改变组内所有行的LRU的数值大小，LRU越大表示下次越有可能覆盖它，刚刚访问行的LRU设置为0，其余未被访问的LRU都增1。
3. 收尾部分
核心功能做完，还有一些其他的零散的一些工作。首先是缓存的初始化。需要动态开辟相应的空间，这个空间是根据输入的s, E, b三个数的数值来决定的。
void initCache(int s, int E, int b, Sim_cache* sim_cache){
if(s<=0 || E<=0 ) exit(0);
//初始化sim_cache部分
sim_cache-> numset = 2<<s; //2^s次方组
sim_cache-> numline = E;
sim_cache->sets = (Set*) malloc(sizeof(Set) * sim_cache->numset);
if(!sim_cache->sets) exit(0);
//初始化set部分
for(int i=0; i< sim_cache-> numset; i++){
sim_cache->sets[i].lines = (Line*)malloc(sizeof(Line) * sim_cache->numline);
//初始化line部分
for(int j=0; j<E; j++){
sim_cache->sets[i].lines[j].valid = 0;
sim_cache->sets[i].lines[j].LRUcount = 0;
}
}
}
其次由于核心函数中比较的标识位Tag和组号set_idx是由指令的地址得到的，需要有两个转换函数。
int getTag(int addr, int s, int b){
addr = (unsigned) addr;
return addr >> (s+b);
}
int getSet(int addr, int s, int b){
int set = addr >> b;
int mask = (1 << s)-1;
return mask & set;
}
最后就是main函数啦，涉及到从文件读的操作，以及初始化initCache()和updateCache()函数的调用。
int main(int argc, char** argv)
{
int s=0, E=0, b=0,verbose=0;
char option;
Sim_cache sim_cache;
unsigned long long addr;
int size;
getOpt(argc, argv, &verbose, &s, &E, &b); //读控制台输入
initCache(s, E, b, &sim_cache); //初始化cache
printf("%s" ,tracename);
FILE * pFile = fopen (tracename,"r");
while(fscanf(pFile, " %c %llx,%d" , &option, &addr, &size)>0){
if(option=='I') continue;
int set_idx = getSet(addr,s,b);
int curTag = getTag(addr,s,b);
if(option=='L' || option=='S')
updateCache(&sim_cache, set_idx, curTag, verbose);
if(option=='M'){
updateCache(&sim_cache, set_idx, curTag, verbose);
updateCache(&sim_cache, set_idx, curTag, verbose);
}
if(verbose==1) printf("\n");
}
//fclose(pFile);
printSummary(hitcount, misscount, evictioncount);
return 0;
}
最后make以下程序，得到的结果与csim-ref结果一样，cache lab第一个实验就算做完啦。
