如何编程模拟计算机中的高速缓存
1. 实验要求
2. 编程
2.1 读取文件
2.2 高速缓存定义结构体
2.3 初始化cache
2.4 解析输入的指令
2.5 lru策略
2.6 更新高速缓存cache
2.7 完整代码
3. 测试结果
1. 实验要求
1.编程模拟cahce的命中，不命中，替换等行为。
2.编写的程序必须对任意s，e和b正确工作。
3.本实验不涉及真实的数据读写，不需要考虑block的细节，每行只有一个block。
4.编写的程序要能读取指定文件内的指令，根据不同的指令完成不同的动作，下面为指令内容示例。
i 0400d7d4,8 #m 0421c7f0,4 # 修改access cache， 即读写access cache两次，0421c7f0：修改的地址，8：修改的长度l 04f6b868,8 # 读access cache，04f6b868：读取的地址，8：读取长度s 7ff0005c8,8 # 写access cache，0421c7f0：写的地址，8：写的长度
2. 编程
考虑模拟一个cache的行为需要用到哪些变量？
计算机中的高速缓存模型
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=s×e×b。
地址的构成：标识位t、组索引s、块偏移b（前面说了，不需要管块偏移）。
下面我们开始编写代码。
2.1 读取文件
getopt()该函数能够帮助程序分析c语言命令行程序输入的参数。
int getopt(int argc,char * const argv[ ],const char * optstring);
重点说下getopt()函数。前两个形参是main函数传入的参数，即我们输入的命令行，第三个形参是 optstring“选项字符串”，即标识哪些字母表示了操作。
如acd::e，字母后带一个冒号（例中的a、b）表明这个操作带参数，字母后的内容需要读取，存放到它内部变量 extern char * optarg中。
字母不带冒号（例中的c、e）表明该操作不带参数，后面输入的内容仍看作操作符处理。字母后带两个冒号（例中的d）表明该操作后参数是可选的，但是要求如果带参数时参数与操作符不能有空格，如-d123是对的，而-d 123会报错。当读取了全部的输入的命令后 getopt（）返回-1。
while((opt = getopt(argc,argv,sb)) !=-1){ //解析命令行参数 switch(opt){ case 's': s=atoi(optarg); break; case 'e': e=atoi(optarg); break; case 'b': b=atoi(optarg); break; case 't': filepath = optarg; break; } }
fscanf函数，该函数能够帮助用户处理文本文件中输入的格式化数据。
int fscanf(file *stream, char *format[,argument...]);
stream-这是指向 file 对象的指针，该 file 对象标识了流。
format-这是 c 字符串，包含了以下各项中的一个或多个：空格字符、非空格字符和format 说明符。
2.2 高速缓存定义结构体
实验要求中说明了，不需要处理b，只需认为每行中有一个block。因此cache_line结构体中包括有效位，标记位，时间戳三个变量就够了。stamp记录的是block 的使用时间，每被使用一次，block++。因此，stamp越大表明该block越是最近被使用。具体代码如下。
typedef struct{ int valid_bits; unsigned tag; int stamp;}cache_line;
2.3 初始化cache
定义一个cache[s] [e]大小的二维数组。这样cache就模拟好了。
void init(){ cache = (cache_line**)malloc(sizeof(cache_line*)*s); //malloc开辟空间 for(int i=0;i 首先需要对读取的地进有分析，低b位表示 block偏移，本实验中不需要计算block偏移。中间s位是 set index位，表示对那个行操作。其余t位是tag位。用于标明对应的line是否有效。我们需要对得到的地址进行如下操作，解析出t和s。
unsigned s_address =(address>>b) & ((0xffffffff)>>(32-s)); //索引位 unsigned t_address = address>>(s+b); //标记位
2.5 lru策略
替换策略使用的是lru的缓存替换策略。如果该set存满了，我每次要找到stamp最小的替换。为了方便，我把stamp初始化为0，之后每个操作+1. 当stamp= 0的时候就代表不valid。
void time(){ for(int i=0;i 2.6 更新高速缓存cache
cache的容量有限，当满的时候需要替换行，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。
for(int i=0;i 2.7 完整代码
/* * @description: 编程模拟cache * @version: v1.0 * @autor: 嵌入式与linux那些事 * @date: 2021-1-1 2012 * @lasteditors: 嵌入式与linux那些事 * @lastedittime: 2021-1-1 2258 */#include cachelab.h#include #include #include #include #include typedef struct{ int valid_bits; unsigned tag; int stamp;}cache_line;char* filepath = null;int s,e,b,s; // s 表示组 ,e表示行,每一行有 2^b位 ,s = 2^s 组int hit=0,miss=0,eviction=0;cache_line** cache = null;void init(){ cache = (cache_line**)malloc(sizeof(cache_line*)*s); //malloc开辟空间 for(int i=0;i>(32-s)); //从地址分解出索引位 unsigned t_address = address>>(s+b); //从地址分解出标记位 //判断tag为是否相等，是否命中 for(int i=0;itag ==t_address){ cache[s_address][i].stamp = 0; //被使用了 hit++; return; } } //更新高速缓存cache for(int i=0;i 3. 测试结果
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3. 测试结果
1. 实验要求
1.编程模拟cahce的命中，不命中，替换等行为。
2.编写的程序必须对任意s，e和b正确工作。
3.本实验不涉及真实的数据读写，不需要考虑block的细节，每行只有一个block。
4.编写的程序要能读取指定文件内的指令，根据不同的指令完成不同的动作，下面为指令内容示例。
i 0400d7d4,8 #m 0421c7f0,4 # 修改access cache， 即读写access cache两次，0421c7f0：修改的地址，8：修改的长度l 04f6b868,8 # 读access cache，04f6b868：读取的地址，8：读取长度s 7ff0005c8,8 # 写access cache，0421c7f0：写的地址，8：写的长度
2. 编程
考虑模拟一个cache的行为需要用到哪些变量？
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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=s×e×b。
地址的构成：标识位t、组索引s、块偏移b（前面说了，不需要管块偏移）。
下面我们开始编写代码。
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int getopt(int argc,char * const argv[ ],const char * optstring);
重点说下getopt()函数。前两个形参是main函数传入的参数，即我们输入的命令行，第三个形参是 optstring“选项字符串”，即标识哪些字母表示了操作。
如acd::e，字母后带一个冒号（例中的a、b）表明这个操作带参数，字母后的内容需要读取，存放到它内部变量 extern char * optarg中。
字母不带冒号（例中的c、e）表明该操作不带参数，后面输入的内容仍看作操作符处理。字母后带两个冒号（例中的d）表明该操作后参数是可选的，但是要求如果带参数时参数与操作符不能有空格，如-d123是对的，而-d 123会报错。当读取了全部的输入的命令后 getopt（）返回-1。
while((opt = getopt(argc,argv,sb)) !=-1){ //解析命令行参数 switch(opt){ case 's': s=atoi(optarg); break; case 'e': e=atoi(optarg); break; case 'b': b=atoi(optarg); break; case 't': filepath = optarg; break; } }
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typedef struct{ int valid_bits; unsigned tag; int stamp;}cache_line;
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unsigned s_address =(address>>b) & ((0xffffffff)>>(32-s)); //索引位 unsigned t_address = address>>(s+b); //标记位
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