计算机系统原理实验日志

一、实验内容

1、编写一个C程序（csim.c，大约200-300行），用于模拟Cache的行为。

2、已提供一个参考的cache模拟器(可执行文件csim-ref)，目标是自己写的

csim和参考的csim-ref行为一致，即两者模拟同一个访存过程得到的

cache 命中次数(hits)、不命中次数(misses)、替换次数(evicts)都相同。

二、相关知识

1.高速缓存存储器结构：

内存地址划分如下：

t=m-(s+b)

要访问高速缓存存储空间中的字节：

根据内存地址进行组选择，行匹配，字抽取；

存储层次主要有四个问题

(1)映射规则：

直接映射：E=1

全相联映射：S=1—>s=0

E-路组相联映射：

(图中E=2)

(2)查找算法

(3)替换算法

a. FIFO算法 -- 先进先出，易理解也易实现

b. OPT算法 — 基本不可能实现、一般用LRU算法替代

c. LRU算法

本次实验要用到的是LRU算法，所以主要介绍LRU—最近最少使用替换策略：

cache的容量有限，当满的时候需要牺牲行（驱逐某行），先遍历当前组，判断它是否容量已满，如果未满：将有效位不为1的一行更新有效位为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。

(4)写策略：

a.直写+非写分配

b.写回+写分配（适用于较低层次的缓存）

2. Linux下getopt()函数的简单使用

由于本实验中需要获取命令行，所以需要用到unistd.h头文件中的getopt：int getopt(int argc,char * const argv[ ],const char * optstring);

它用来分析命令行参数；

参数argc和argv分别代表参数个数和内容，跟main的命令行参数相同。

参数optstring为选项字符串，告知getopt()可以处理哪个选项以及哪个选项需要参数，如果选项字符串里的字母后接着冒号“:”，则表示还有相关的参数，全域变量optarg 即会指向此额外参数；

它可以返回选项字符(以整型值的形式)，返回-1时即代表解析完成。

关于选项字符串的详细解释如下：

"a:b:cd::e"即一个选项字符串。它对应到命令行就是-a ,-b ,-c ,-d, -e 。其中冒号表示参数，一个冒号就表示这个选项后面必须带有参数，没有带参数就会报错，但是这个参数可以和选项连在一起写，也可以用空格隔开，比如

-a123 和-a 123（中间有空格）都表示123是-a的参数；

两个冒号的就表示这个选项的参数是可选的，即可以有参数，也可以没有参数，但要注意有参数时，参数与选项之间不能有空格（有空格会报错的哦），这一点和一个冒号时是有区别的，

选项后面为两个冒号，且没有跟参数，则optarg = NULL，

有些选项是不用带参数的，而这样不带参数的选项可以写在一起。。

3.fopen函数

因为本次实验中需要读取trace文件，所以需要用到fopen函数来打开文件：

FILE * fopen(const char * path, const char * mode);

参数path字符串包含欲打开的文件路径及文件名;

参数mode字符串则代表着打开文件的方式,包括 ’r’, ’w’, ’a’, ’r+’, ’rb+’ 等等;

文件顺利打开后，指向该流的文件指针就会被返回。

如果文件打开失败则返回NULL，并把错误代码存在errno 中。

调用它的一般形式为：

文件指针名 = fopen（文件名,使用文件方式）;

其中，文件指针名 -- 被说明为FILE 类型的指针变量;

文件名 -- 被打开文件的文件名，为字符串常量或字符串数组；

使用文件方式 -- 指文件的类型和操作要求。

4.C库函数 -- fscanf函数

int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...)

它从流 stream 读取格式化输入，

第一个参数stream 是指向 FILE 对象的指针，该 FILE 对象标识了流；

第二个参数format 是字符串，

format 说明符形式为 [=%[*][width][modifiers]type=]

附加参数---根据不同的 format 字符串，函数可能需要一系列的附加参数，每个参数包含了一个要被插入的值，替换了format参数中指定的每个 % 标签。参数的个数应与 % 标签的个数相同。

如果成功，该函数返回成功匹配和赋值的个数。

如果到达文件末尾或发生读错误，则返回 EOF。

总而言之，它按照你定义的格式读取输入并赋值到你对应的附加参数中，然后返回读取输入的个数。

5.动态分配函数malloc与calloc

malloc()和calloc()的功能：

在内存的动态存储区中分配n个长度为size的连续空间，

函数返回一个指向分配起始地址的指针。

区别：

calloc在动态分配完内存后，自动初始化该内存空间为零，

而malloc不初始化，里边数据是随机的垃圾数据。

三、实验原理

注意事项：

a.由于模拟器必须适应不同的s, E, b，所以数据结构必须动态申请，

注意初始化。

b.测试数据中以“I”开头的行是对指令缓存（i-cache）进行读写，我们编写

的是数据缓存（d-cache），这些行直接忽略。

c.这次实验假设内存全部对齐，即数据不会跨越block，所以测试数据里面的

数据大小也可以忽略。

可以根据老师所给提示逐步分析：

1、如何从命令行中解析s、E、b、t（trace）参数？（getopt函数）

根据相关知识中所介绍关于getopt函数的知识，我们能很快的解决这个问题。用法如下：

在switch语句中具体实现相应选项及参数对应的功能即可。

2、如何构建一个cache？

实验只要求我们测试hit/miss/eviction的次数，并没有实际的数据存储，

所以我们不用实现line中的block部分，只需关注是否命中和替换，不关注

数据从内存加载到cache block的哪个位置，

所以cache只需要是一个二维数组cache[S][E]的形式（与b无关），

由于S、E的值是不确定的，所以我们可以考虑采用指针去实现此二维数组：

3、如何从访存trace文件中读取每条访存操作？

自然是灵活运用相关知识中介绍的fscanf函数啦~

访存操作的格式如下：

忽略以i开头的指令缓存操作及每条访存操作的访问字节数：

4、如何从访存操作中的起始地址参数中提取标记位t、组索引s、块偏移b？

已给提示是移位。

我们不需要知道块大小，需要块偏移是为了求t，t = m-b-s,实际上将地址

作为二进制串时，只需要将实际地址右移(b+s)即可得到t的值；

而s，将实际地址右移b位后，低s位即它的值，为了获取这低s位，我们

将1左移s位再减1，可得到2^s-1，将它与右移b位后的实际地址相与即可

得到其低s位，如下：

5、cache模拟器采用哪种放置策略和替换策略？

放置策略：组内放哪儿 -- 放置于组内第一个空闲行；

替换策略：LRU，与csim-ref保持一致；

整体思想是为每一行设置一个计数器，将空闲行的计数器值置为0，

其余行每使用一次加一，新放置的行的计数器值则设为其余行的最大值+1，

每次需要替换时就找到组内计数器值最小的(如果值相同，则是按行序最小的)

一行进行替换。

根据以上分析，其实实现Cache模拟的大致设计思路已经出来了，

之后就是考虑具体实现啦~

四、实验步骤

1. 准备过程

(1)把cachelab-handout.tar拷贝到linux下再解压缩

（不要在windows下解压）

可直接将压缩包从windows桌面下拖到ubuntu中，

也可通过邮箱发送在ubuntu中下载;

命令即 tar xvf cachelab-handout.tar

(2)安装valgrind工具

>sudo su

>apt-get install valgrind

安装完成后输入如下命令可查看每次访存操作（可选）：

> valgrind--log-fd=1 --tool=lackey -v --trace-mem=yes ls -l

至此，工具准备已经完成，具体要怎么进行实验，我们可以看到压缩包中有readme，其中，所以我们去查看这两个文件，发现

而cachelab.c中即这四个函数的实现，

在partA中，我们只需要printSummary这个打印结果的函数即可。

那么partA部分其他的函数就全部自由发挥了。

2.具体设计

(1)数据结构的设计

对于每一行，我们需要一个有效位，一个标记位，一个计数器(用于LRU算法),

所以可以设计一个结构体：

对于cache的构建，前面已经提到过了，cache可当作二维数组cache[S][E]，

采用指针去实现：

然后在解析命令行得到参数S、E的值后再动态分配并初始化内存，因为

每一行都应该初始化为0，所以可以采用calloc函数：

根据S（set的数目）申请一个数组，该数组元素是lines的入口的指针；

接着循环S次，每次申请E个line，让刚申请的指针数组的元素指向它们。

总体数据结构如下：

内存的分配及初始化如下：

(2)解析命令行的逻辑设计

通过getopt函数获取命令行，逐个获取每个选项并作出相应操作：

当选项为h或输入不符合要求时，我们中断并打印详细命令用法以提示；

当选项为v时，我们设置verbose标识为true，即说明需要输出每条访问

操作的详细信息，在之后分析每条访存操作的过程中就可以通过此标识

去判断是否输出对应信息；

当选项为s,E,b时，我们要判断其输入参数的值是否在1-64之间(s可为0)，

如果不是，我们进行中断并打印详细命令用法以提示，

如果是，记录其值(不输入)。

(3)LRU算法的具体实现

其设计思路在实验原理的第5个问题中已经说明，就不再罗嗦了，实现如下：

(4) 判断每条访存操作的结果的过程

从访存地址获取其所在组，在此组中逐行对比有效位与标志位，

如果有标志位相同且有效位为1的行，则命中，设置hit_flag为true，

并更新此行的LRU计数器值，hit++；

如果没有，miss++，寻找LRU值最小的行作为替换行，更新其LRU计数器值，

如果此行有效位为1，代表此行不为空闲行，发生了替换，evication++，

否则要对此空闲行有效位置1；

(5)读取tracefile并统计其中访存操作得到的命中、不命中、替换次数

在实验原理中已经详述了如何从访存trace文件中读取每条访存操作及

如何从访存操作中的起始地址参数中提取标记位t、组索引s、块偏移b，

并且已经实现了如何判断每条具体访存操作的结果，

还需要考虑的是从tracefile中获取每条访存操作后如何实现其相应逻辑，

如果访存操作为load/store，只需要进行一次对此访问操作的判断即可；

如果访存操作为Modify，相当于进行一次load再对此地址进行一次store，

所以会引起两次访存操作，需要进行两次判断，

其结果可以为两次缓存命中, 或一次未命中(可能包含替换)、一次命中；

(6)打印命令详细用法

这个就没什么好介绍的了，只是为了减少代码重复所以单独做了一个函数：

（7）释放内存

在c中如果进行了内存分配，必然要释放内存，所以不要忘了free：

3.操作步骤

完成csim.c代码设计与编写后，即可进行测试

(1)输入make clean后输入make命令编译csim.c，生成可执行文件csim

(2)输入./csim –v –s <num> –E <num> –b <num> -t <tracesfile>

查看每次访存cache是否命中和替换的详细信息（可选）

(3)输入./test-csim运行cache模拟器的评价程序，查看得分是否为27分，

27分(满分)则csim.c正确，低于27分则需修改csim.c。

（修改时可用相同的sEbt参数分别运行csim和csim-ref，查看每次访存的

详细信息是否一致）

五、实验结果

实验结果如下：

六、遇到的问题

问题1：一个不算问题的问题：

我实现的时候考虑了s为0即全相联的情况，但是.csim-ref中好像是不能

出现s为0的输入的：

这个其实就把这的小于0改为<=0即可：

问题2：我想让s,b,E三个选项作为可选选项，也就是说不输入这三个选项及参数时默认其为0,1,1

但是会出现如下错误：

但是如果直接输入这些参数又是正确的：

想到参数可输入可不输入时选项字符串应该为

又尝试了一下：

而且这次连直接输入这些参数也是错误的：

所以感觉问题应该出在getopt函数上，但是还没找到解决办法。

七、实验心得体会

略

在最后把整个代码贴一下：

#include "cachelab.h"
#include <stdio.h>	/* fopen freopen perror */
#include <stdint.h>	/* uintN_t */
#include <unistd.h> /* getopt */
#include <getopt.h> /* getopt -std=c99 POSIX macros defined in <features.h> prevents <unistd.h> from including <getopt.h>*/
#include <stdlib.h> /* atol exit*/
#include <errno.h>  /* errno */#define false 0
#define true 1typedef struct
{_Bool valid;    				// 有效位 uint64_t tag;   				// 标记位 uint64_t time_counter;  		// LRU计数器，替换此值最小的行 
}line;
typedef line *entry_of_lines;
typedef entry_of_lines *entry_of_sets;typedef struct
{int hit;						// 记录命中次数 int miss;						// 记录未命中次数int eviction;					// 记录替换次数 
}result;entry_of_sets InitializeCache(uint64_t S, uint64_t E);result HitMissEviction(entry_of_lines search_line, result Result, uint64_t E, uint64_t tag, _Bool verbose);result ReadAndTest(FILE *tracefile, entry_of_sets cache, uint64_t S, uint64_t E, uint64_t s, uint64_t b, _Bool verbose);void RealseMemory(entry_of_sets cache, uint64_t S, uint64_t E);/* 当选项为 h，或输入错误的命令(格式错误或用法错误)时，打印命令详细用法 */ 
void printHelpMessage()
{//这些提示信息是按照.csim-ref的提示信息编写的printf("Usage: ./csim [-hv] -s <num> -E <num> -b <num> -t <file>\n");printf("Options:\n");						 					 printf("-h			Print this help message.\n");						                		 printf("-v			Optional verbose flag.\n");                   		 printf("-s <num>	Number of set index bits.\n");                   		 printf("-E <num>	Number of lines per set.\n");                   		 printf("-t <file>	Trace file.\n");                   		 printf("\n");                   		 printf("Examples:\n");						 printf("linux> ./csim -s 4 -E 1 -b 4 -t traces/yi.trace\n");						printf("linux> ./csim -v -s 8 -E 2 -b 4 -t traces/yi.trace\n");						
}int main(int argc, char * const argv[])
{result Result = {0, 0, 0};const char *command_options = "hvs:E:b:t:";FILE* tracefile = NULL;entry_of_sets cache = NULL;_Bool verbose = false;	/* flag whether switch to verbose mode, zero for default */uint64_t s = 0;	/* number of sets ndex's bits */uint64_t b = 0;	/* number of blocks index's bits */uint64_t S = 0; /* number of sets */uint64_t E = 0;	/* number of lines */char ch;    /* command options */while((ch = getopt(argc, argv, command_options)) != -1){switch(ch){case 'h':{printHelpMessage(); exit(EXIT_SUCCESS);}case 'v':{verbose = true;break;}case 's':{if (atol(optarg) <= 0)	/* We assume that there are at least two sets */{printHelpMessage(); exit(EXIT_FAILURE);}s = atol(optarg);S = 1 << s;break;}case 'E':{if (atol(optarg) <= 0){printHelpMessage(); exit(EXIT_FAILURE);}E = atol(optarg);break;}case 'b':{if (atol(optarg) <= 0)	/* We assume that there are at least two sets */{printHelpMessage(); exit(EXIT_FAILURE);}b = atol(optarg);break;}case 't':{if ((tracefile = fopen(optarg, "r")) == NULL){perror("Failed to open tracefile");exit(EXIT_FAILURE);}break;}default:{printHelpMessage(); exit(EXIT_FAILURE);}}}if (s == 0 || b ==0 || E == 0 || tracefile == NULL){printHelpMessage(); exit(EXIT_FAILURE);}cache = InitializeCache(S, E);Result = ReadAndTest(tracefile, cache, S, E, s, b, verbose);RealseMemory(cache, S, E);   /* Don't forget this in C/C++, and do not double release which causes security problem *///printf("hits:%d misses:%d evictions:%d\n", Result.hit, Result.miss, Result.eviction);printSummary(Result.hit, Result.miss, Result.eviction);return 0;
}/* 初始化缓存 */ 
entry_of_sets InitializeCache(uint64_t S, uint64_t E)
{entry_of_sets cache;//使用 calloc而非 malloc，因为我们需要初始化为0 if ((cache = calloc(S, sizeof(entry_of_lines))) == NULL) {perror("Failed to calloc entry_of_sets");exit(EXIT_FAILURE);}for(int i = 0; i < S; ++i) {if ((cache[i] = calloc(E, sizeof(line))) == NULL){perror("Failed to calloc line in sets");}}return cache;
}/* 判断每条访存操作是 hit or miss or miss+evication */ 
result HitMissEviction(entry_of_lines search_line, result Result, uint64_t E, uint64_t tag, _Bool verbose)
{uint64_t oldest_time = UINT64_MAX;							//用于寻找 LRU计数器值最小的行 uint64_t youngest_time = 0;									//用于寻找 LRU计数器值最大的行 以 更新替换进入缓存的行的LRU值 uint64_t oldest_block = UINT64_MAX;							//记录 LRU计数器值最小的行号	_Bool hit_flag = false;for (uint64_t i = 0; i < E; ++ i){if (search_line[i].tag == tag && search_line[i].valid) 	//命中 {if (verbose)    printf("hit\n");hit_flag = true;++Result.hit;++search_line[i].time_counter; 						//更新计数器值 break;}}if (!hit_flag)  											//未命中{if (verbose)    printf("miss");++Result.miss;uint64_t i;for (i = 0; i < E; ++i)    								//寻找LRU值最小的行作为替换行(空闲行的值最小){if (search_line[i].time_counter < oldest_time){oldest_time = search_line[i].time_counter;oldest_block = i;}if (search_line[i].time_counter > youngest_time)    //寻找LRU值最大的行以更新 新进入缓存的行的计数器值 {youngest_time = search_line[i].time_counter;}}search_line[oldest_block].time_counter = youngest_time + 1;search_line[oldest_block].tag = tag;if (search_line[oldest_block].valid) 					//假如替换行之前有效位为 1，那么发生了替换 {if (verbose)    printf(" and eviction\n");++Result.eviction;}else{if (verbose)    printf("\n");search_line[oldest_block].valid = true;}}return Result;
}/* 计算结果 （若verbose为真，打印每条访存操作详细结果） */ 
result ReadAndTest(FILE *tracefile, entry_of_sets cache, uint64_t S, uint64_t E, uint64_t s, uint64_t b, _Bool verbose)
{result Result = {0, 0, 0};char ch;uint64_t address;//读取tracefile中每条访存操作，获取指令及地址，本来可直接忽略读取字节数，但为了打印访存操作，需要记录 //地址是十六进制数，所以采用 %lx 而非 %luwhile((fscanf(tracefile, " %c %lx%*[^\n]", &ch, &address)) == 2) {if (ch == 'I'){continue;}else{uint64_t set_index_mask = (1 << s) - 1;uint64_t set_index = (address >> b) & set_index_mask;uint64_t tag = (address >> b) >> s;entry_of_lines search_line = cache[set_index];// load / store 操作只会引起一次访存操作if (ch == 'L' || ch == 'S'){if (verbose)    printf("%c %lx ", ch, address);Result = HitMissEviction(search_line, Result, E, tag, verbose);}/* data modify操作会进行一次 load再对此地址进行一次 store，所以会引起两次访存操作 结果可以为 两次缓存命中, 或 一次未命中(可能包含替换)、一次命中. */else if (ch == 'M'){if (verbose)    printf("%c %lx ", ch, address);Result = HitMissEviction(search_line, Result, E, tag, verbose);Result = HitMissEviction(search_line, Result, E, tag, verbose);}else{continue;}}}return Result;
}/* 释放内存 */ 
void RealseMemory(entry_of_sets cache, uint64_t S, uint64_t E)
{for (uint64_t i = 0; i < S; ++i){free(cache[i]);}free(cache);
}