C/C++实现Cache仿真器

最新推荐文章于 2025-07-23 12:52:52 发布

Mason_Zhao

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分类专栏： C++ 文章标签： cache 组成原理 c c++

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本文详细介绍了一种基于全相联映射策略的Cache仿真设计，包括其工作原理、实现流程与测试案例。设计中采用了随机替换策略，通过具体代码展示了如何实现地址解析、数据比较与迁移等功能。

主要内容

全映射工作原理及工作过程
Cache仿真设计
具体实现
测试用例
完整源码

全相联映射的工作原理

主存分块，Cache分行（Line），两者大小相同；
设每块4个字，主存大小为1024个字，则第61个字的主存地址为：

00001111 01 （块号块内地址）

主存分块后地址从一位转为二维，即从本来的第几个字变为第几块的第几个字
映射算法：主存的数据块可映射到Cache任意行，同时将该数据块地址对应的标记存储体中保存

工作过程

将CPU给出的地址剥离出标记部分和块内偏移量
利用多路比较电路将从地址中剥离出的标记部分与Cache中每一行的标记部分进行比较
如果命中，利用块内偏移地址从命中的行中取出具体数据
如果没有命中，利用CPU给出的原始地址直接访问主存
在第4步的基础上，将原始地址所指的块的内容搬迁到Cache中的某一行（任意一行，如果cache中每行都有数据，则根据相应的替换策略选择替换掉哪一行）
在第5步基础上，将从原始地址中剥离出的标志填入cache行中的标志，将有效位置1

设计思路

映射方法采用全相联映射
替换策略采用随机替换
多路比较电路通过比较算法代替
通过三个类分别模拟主存储器、cache、地址

具体实现

设计内存分块所需的块结构体

struct Lump
{
	char data[LUMP_SIZE];	//块内数据
};

设计用于模拟主存储器的类FuMemo，主要包括私有成员一个一维char型数组用于模拟1024字节储存、一个Lump型数组模拟分块以及需要的接口

class FuMemo
{
public:
	FuMemo();
	void writeData();	//写入数据
	void divideLump();	//主存分块
	char getData(Address address);	//cpu直接访问主存接口
	char getDataArea(Address address);

private:
	char data[SIZE];	//主存数据
	Lump lump[SIZE/LUMP_SIZE];	//块
	Area area[SIZE /AREA_SIZE];	//根据cache行数对主存进行分区
};

设计模拟Cache所需的行结构体Line

struct Line
{
	bool valid;	//有效位
	int tag[8];	//标志位
	char data[LINE_SIZE];	//块数据
};

设计用于模拟Cache的类Cache，主要包括Line型数组，以及映射策略选择（为以后增加其它映射策略预留）

class Cache
{
public:
	Cache();
	~Cache();
	void accessContrl(char addr[3],FuMemo memory);	//cpu访问cache接口
	bool compare(int ta[8]);	//比较cpu传入地址的tag是否在cache行
	char getData(Address address);	//从cache中取一个字数据
	void moveDate(FuMemo memory,Address address);	//从主存中搬一块数据到cache的一行
	void setPolice(int po);	//设置映射策略
	int getPolice();
private:
	Line line[CACHE_SIZE];	//cache行
	int police;	//映射策略
};

设计地址类用于存放从CPU给出的标准地址中分离出来的各部分、注意实现拷贝构造函数

class Address 
{
public:
	int tag[8];		//标志位
	int lu_ad[2];	//块内地址
	Address()
	{

	}
	Address(const Address &add)
	{
		for (int i = 0; i < 8; i++)
		{
			tag[i] = add.tag[i];
		}
		for (int i = 0; i < 2; i++)
		{
			lu_ad[i] = add.lu_ad[i];
		}
		for (int i = 0; i < 2; i++)
		{
			area[i] = add.area[i];
		}
	}
private:

};

Cache类中提供给CPU访问Cache的接口void accessContrl(char addr[3],FuMemo memory)的具体实现

void Cache::accessContrl(char addr[3], FuMemo memory)
{
	//cpu访问cache时传入16进制地址
	char data;
	Address address;
    	//全相联映射
	address = addreAna(addr);	//解析地址
	if (compare(address.tag))
	{
	    //命中
		cout << "命中cache" << endl;
		data = this->getData(address);	//从cache中取数据
	}
	else
	{
	    //没有命中,cpu访问主存
            cout << "未命中cache" << endl;
       	    data = memory.getData(address);	//访问主存
            moveDate(memory, address);//将主存中某一块数据搬至cache并填写相应标志位
	}
	cout << "data is " << data << endl;
}

利用addreAna(char *)对CPU传入的16进制地址进行解析得到Address型地址

Address addreAna(char addr[3])
{
	//地址解析，将8位16进制地址解析为二进制tag和lu_ad即块号和块内地址
	//返回Address型地址
	Address address;
	int bin[12] = { 0 };
	//转二进制
	hexToBin(addr, bin);
	for (int i = 2; i < 10; i++)
	{
		address.tag[i-2] = bin[i];
	}
	for (int i = 10; i < 12; i++)
	{
		address.lu_ad[i - 10] = bin[i];
	}
	return address;
}

利用compareArea(Address address)对要读取的地址的标志（tag）与cache中每一行进行比较，判断是否命中

bool Cache::compare(int ta[8])
{
	//将cpu地址标记位传入，与cache行进行比较，命中返回true，不命中返回false
	for (int i = 0; i < CACHE_SIZE; i++)
	{
		if (comp(ta, this->line[i].tag)) return true;
	}
	return false;
}

命中：利用getData(Address address)从cache中取出要取的数据

char Cache::getData(Address address)
{
	//根据地址从Cache中取数据
	char data;
	for (int i = 0; i < SIZE; i++)
	{
		if (comp(this->line[i].tag, address.tag))
		{
			data = this->line[i].data[binToDec_2_(address.lu_ad)];
			return data;
		}
	}
}

没有命中：利用Memory类的接口getData(address)直接从主存中访问数据，然后利用moveDate(FuMemo memory,Address address)将主存中的数据搬迁到cache中对应的行。

char FuMemo::getData(Address address)
{
	//cache未命中，cpu直接访问主存获取数据
	//int lu_no = address.tag
	return this->lump[binToDec_8(address.tag)].data[binToDec_2(address.lu_ad)];
}

void Cache::moveDate(FuMemo memory,Address address)
{
	//根据相应策略将主存中数据搬至cache并填写相应标志位
	int i;
	srand((unsigned)(time(NULL)));
	int bre = 0;
	do {
		bre++;
		i = rand() % CACHE_SIZE;	//随机放入行
	}while(this->line[i].valid&&bre == CACHE_SIZE);
	cout << "将主存中数据放入cache哪一行：" << i << endl;
	for (int j = 0; j < LINE_SIZE; j++)
	{
		switch (j)
		{
		case 0:address.lu_ad[0] = 0; address.lu_ad[1] = 0; break;
		case 1:address.lu_ad[0] = 0; address.lu_ad[1] = 1; break;
		case 2:address.lu_ad[0] = 1; address.lu_ad[1] = 0; break;
		case 3:address.lu_ad[0] = 1; address.lu_ad[1] = 1; break;
		default:
			break;
		}
		this->line[i].data[j] = memory.getData(address);
	}
	this->line[i].valid = true;
	for (int j = 0; j < 8; j++)
	{
		this->line[i].tag[j] = address.tag[j];
	}

}

5、输出data