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CacheSim-2 类的设计

Introduction

CacheSim 简单的Cache模拟器专辑目录

本文说明了模拟的Cache需要完成的功能，以及大体框架设计，通过头文件内容的说明，使读者获得整体的认识。

1.模拟Cache需要完成的功能

1.1 指令读取

由于主存访问trace以文件形式给出，

trace文件下载

所以需要从文件中读取访存trace。其中trace的格式如下：

s 0x1fffff50 1

每行的第一个字符是表示该条指令的类型，s为写（store），r为读（read）。中间的十六进制数为内存地址，最后一个整数是指存储器访问指令之间的间隔指令数。例如第5条指令和第10条指令为存储器访问指令，且中间没有其他存储器访问指令，则间隔指令数为4。

我们写的模拟器中暂不考虑最后这个参数的使用。

1.2 对一条指令进行分析

在从trace文件中读取一条指令之后，对指令进行分析，对地址进行变换，查看地址里的数据是否在cache中，获得命中与否的结果。

1.3 检查是否命中

通过对地址进行操作，检查是否命中

1.4 查找空闲line

如果命中，则只需要更新时间戳，如果是写操作，则标记脏位。

如果之前没有命中，则需要从当前Cache中找到可以使用的块，优先当前是invaild状态的line，否则执行替换算法，找到需要被替换的块，同时如果要替换的块中原来的数据是脏的，写回到内存中。

1.5 将数据加载到cache line中

如果miss，通过1.4找到可以放置数据的cache line，下一步则就是将数据从主存中加载到cache line上。

2.头文件编写

代码地址

Github

替换算法实现了FIFO（先进先出）、LRU（最近最常访问）、RAND（随机替换）算法。

2.1 Cache_Line类

Cache_Line单独做一个类，tag采用无符号32位，

class Cache_Line { public:     _u32 tag;     /**计数，FIFO里记录最一开始的访问时间，LRU里记录上一次访问的时间*/     union {         _u32 count;         _u32 lru_count;         _u32 fifo_count;     };     _u8 flag;     _u8 *buf; };

count用来记录访问的时间，采用union数据结构，后面在更新count的时候，只需要针对不同的替换算法，进行特殊赋值即可，而且不会导致一直使用count出现的思路混乱。这个值的变化后面讲替换算法重点说明。

buf本意是存储内存里的数据，参看上一章中结构说明的bank。

flag则是一些标记位的存储：

位数	7~3	2	1	0
作用	保留	Locking位	脏位	有效位

在上一章中的地址划分小节，我们了解到内存地址的划分，但是要做主存和cache的映射，就需要有一个映射关系。如上一章的图所示，Cache中只需要保存好tag即可，cache的组织结构隐含了和主存的划分关系，而flag标志位则保存了一些cache line的状态。

2.2 Cache_Sim类

2.2.1 变量

cache_**_shifts是指某个元素大小的对数，以2为底。比如 cache_line_shifts ，假设一个cache line是32bytes，则在内存地址中，最后5位(2^5=32)是表示的块内地址（此处划分参见第一章）。

需要记录的元素有：

变量	意义
cache_size	cache总大小，单位byte
cache_line_size	一个cache line的大小，单位byte
cache_line_num	cache一共有多少个line
cache_mapping_ways	几路组相联
cache_set_size	整个cache有多少组(set)
cache_set_shifts	在内存地址划分中占的位数，log2(cache_set_size)
cache_line_shifts	在内存地址划分中占的位数，log2(cache_line_num)
caches	真正的cache数组
tick_count	指令计数器
cache_buf	cache bank，存内存数据的地方
cache_free_num	当前空闲cache line的数量
cache_r_count, cache_w_count	cache读写内存总数据量
cache_hit_count, cache_miss_count	hit和miss计数
swap_style	替换算法

这些变量在CacheSim类的构造函数里都进行了初始化。对于指针类型的通过malloc进行了内存分配。

2.2.2 函数

对应着 1.提出的应完成的功能，定义的函数如下

函数	功能
`check_cache_hit`	检查是否命中
`get_cache_free_line`	获得当前空闲的cache line，如果没有空闲的则执行替换算法，返回一个可以替换的块
`set_cache_line`	将内存中的数据加载到通过 `get_cache_free_line` 获得的cache line上去
`do_cache_op`	对一条指令进行分析
`load_trace`	加载trace文件，开始进行分析
`set_swap_style`	设置本次的缓存替换算法