csapp实验记录 - Cachelab partA

Cachelab partA

这是该实验的 partA 部分，主要是用 c 语言模拟 cpu 对cache的存取过程，以及其缓存命中，不命中和不命中时的替换的情况

实验准备

实验的环境在 Linux

具体的实验包可以去 CMU 的csapp实验官网下载
实验

同时该实验 CMU 有相应的辅助材料可以利用
实验指导PPT

解答

本实验就是简单模拟缓存的行为

注意

本实验需要根据传入的不同的 s,E,bs, E, bs,E,b 值进行模拟
替换策略使用LRU(最近最少使用)策略

数据结构

所以根据此可以创建一个存储缓存行的结构体

typedef struct CACHE_LINE {short valid;      // 有效位unsigned tag;     // 标记int stamp;         // 模拟时间戳，用于lru
}cache_line, *cache_asso, **cache;

同时定义该结构体的指针和指针的指针，便于后续 malloc 二维数组来模拟 cache

具体思路

那么结构体有了，我们需要做的就是根据给出的 s,E,bs, E, bs,E,b 的值 malloc 出二维数组

有了二维数组，我们就可以读取每一条指令，将指令的地址字段解析出标记和组索引

根据组索引和标记模拟命中情况，记录命中和不命中，替换的次数

替换策略采用简单版的LRU，具体算法如下：

对于每一次缓存动作，将定位的块中所有的缓存行的 stamp + 1，模拟时间推移
对命中的缓存行，stamp = 0
替换掉 stamp 值最大的缓存行

代码

#include "cachelab.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <getopt.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>typedef struct CACHE_LINE {short valid;unsigned tag;int stamp;
}cache_line, *cache_asso, **cache;cache _cache_ = NULL;int s, S, E, b, v;
char t[1024];
int hits, misses, evictions;int init_cache();void free_cache();unsigned get_block_index(unsigned address);unsigned get_tag(unsigned address);void visit_cache();int hit_cache(unsigned index, unsigned tag);int main(int argc, char **argv)
{int opt;while((opt = getopt(argc, argv, "vs:E:b:t:")) != -1) {switch(opt) {case 'v':v = 1;break;case 's':s = atoi(optarg);break;case 'E':E = atoi(optarg);break;case 'b':b = atoi(optarg);break;case 't':strcpy(t,optarg);break;default:printf("wrong arg!");break;}}if(s <= 0 || E <= 0 || b <= 0 || t == NULL) return -1;S = 1 << s;init_cache();visit_cache();free_cache();printf("hits:%d misses:%d evictions:%d\n",hits,misses,evictions);printSummary(hits,misses,evictions);return 0;
}int init_cache() {_cache_ = (cache)malloc(sizeof(cache_asso) * S);if(_cache_ == NULL) return -1;for(int i = 0;i < S;i ++) {_cache_[i] = (cache_asso)malloc(sizeof(cache_line) * E);if(_cache_[i] == NULL) return -1;for(int j = 0;j < E;j ++) {_cache_[i][j].valid = 0;_cache_[i][j].tag = -1;_cache_[i][j].stamp = 0;}}return 1;
}void free_cache() {if(_cache_ != NULL) {for(int i = 0;i < S;i ++) {if(_cache_[i] != NULL) free(_cache_[i]);}free(_cache_);}}// 解析缓存块
unsigned get_block_index(unsigned address) {return address >> b & ((1 << s) - 1);
}// 解析缓存行
unsigned get_tag(unsigned address) {return address >>= (b + s);
}// 模拟缓存动作
void visit_cache() {FILE *f;f = fopen(t, "r");char ident;unsigned address;int    size;int status; while(fscanf(f," %c %x,%d",&ident, &address, &size) > 0) {unsigned index = get_block_index(address);unsigned tag = get_tag(address);switch(ident) {case 'I':continue;case 'S':case 'L':status = hit_cache(index,tag);if(status == 0) printf("%c %x,%d hit",ident,address,size);else if(status == 1) printf("%c %x,%d miss",ident,address,size);else printf("%c %x,%d miss eviction",ident,address,size);puts("");break;case 'M':status = hit_cache(index,tag);hits ++;if(status == 0) printf("%c %x,%d hit hit",ident,address,size);else if(status == 1) printf("%c %x,%d miss hit",ident,address,size);else printf("%c %x,%d miss eviction hit",ident,address,size);puts("");break;}}fclose(f);
}/*模拟命中情况0 hit1 miss2 miss eviction*/
int hit_cache(unsigned index, unsigned tag) {cache_asso cache_block = _cache_[index];// update lrufor(int i = 0;i < E;i ++) cache_block[i].stamp ++;// hitfor(int i = 0;i < E;i ++) {if(cache_block[i].valid && cache_block[i].tag == tag) {cache_block[i].stamp = 0;hits ++;return 0;}}// missfor(int i = 0;i < E;i ++) {if(!cache_block[i].valid) {cache_block[i].valid = 1;cache_block[i].tag = tag;cache_block[i].stamp = 0;misses ++;return 1;}}int idx = 0;int maxv = 0;for(int i = 0;i < E;i ++) {if(cache_block[i].stamp > maxv) {maxv = cache_block[i].stamp;idx = i;}}cache_block[idx].tag = tag;cache_block[idx].valid = 1;cache_block[idx].stamp = 0;misses ++;evictions ++;return 2;
}

结果

满分27分

总结
partA 部分断断续续花了挺长时间才做完，在学校学 csapp 时间实在是太零碎了，但是一开始很迷茫，看了一下实验指导PPT以及一些细小的地方参考了其它博客，就逐渐清晰了，写代码就很快了。

写完之后测过几个 trace 就去测试了，一遍过了，还是挺有成就感的