实验四：设计MIPS五级流水线模拟器中的缓存模块1

简介：
本实验旨在设计并实现一个MIPS五级流水线架构下的缓存模块，深入理解高速缓存的工作原理及其对系统性能的影响。 在本次实验任务里，你需要设计一个MIPS五级流水线模拟器，并且着重实现Cache的功能。此模拟器旨在帮助你理解Cache的工作原理及其对处理器性能的影响。 **一、缓存的基本概念** 高速缓冲存储器（Cache）位于CPU和主内存之间，用于减少访问主内存的延迟时间。它基于局部性原则设计：程序执行时会倾向于重复访问同一块内存区域。每个数据单元被称作“块”，并且这些块通过唯一的地址标识符进行区分。当处理器请求某段数据时，首先在Cache中查找是否存在该数据（称为“命中”）；若不存在，则需要从主存加载（称为“未命中”）。 **二、缓存结构** 1. **大小**：本实验中的指令和数据缓存容量分别为8KB和64KB。 2. **路数（Ways）**：使用了四路组关联，意味着每个组可以同时存储四个块。 3. **块大小**：每一块的数据量为32字节。 4. **组数量**：指令Cache包含64个组，而数据Cache则有256个组。 5. **替换策略**：采用LRU（最近最少使用）算法来决定何时替换缓存中的块。 6. **地址映射**：对于指令Cache而言，通过PC的[10:5]位确定了每个组的位置；而对于数据Cache，则是根据地址的[12:5]位进行定位。 7. **访问周期**：通常在指令执行到访存阶段时会接触到缓存操作。 **三、缓存工作流程** 1. **取指阶段**：从指令Cache读取下一条要执行的指令。 2. **译码阶段**：解析并准备执行该条指令所需的资源。 3. **执行阶段**：在算术逻辑单元（ALU）中进行实际的操作，可能涉及数据缓存的访问。 4. **访存阶段**：根据当前指令的需求，从Cache或主存储器获取所需的数据。 5. **回写阶段**：将计算结果保存到寄存器或者主内存，并且如果需要的话更新数据缓存。 **四、对性能的影响** 1. **命中率**：这是衡量Cache效率的重要指标。较高的命中率意味着更低的延迟和更好的整体表现。 2. **替换策略**：虽然LRU算法试图保持最近使用过的数据在Cache中，但并非总是最优选择；其他如随机或LFU（最不频繁使用的）等替代方案可能更适合某些场景。 3. **延时设计**：需要模拟未命中缓存时从主内存获取所需信息的时间延迟，这会影响处理器的执行效率。 **五、实验要求** 1. 实现Cache的功能包括读写操作，并处理各种情况下的命中率和替换策略。 2. 设计一个模型来模仿当数据不在Cache中而必须访问主存储器的情况所带来的额外等待时间。 3. 通过运行相同的程序对比有无Cache版本的执行效率差异，以此评估其性能提升效果。 **六、实验步骤** 1. 理解`pipe.c`文件中的流水线实现以及用户界面接口（shell）的相关代码。 2. 在`src/`目录下创建并填充两个新文件：cache.h和cache.c来具体化Cache的逻辑结构。 3. 修改主程序，使它能够集成新的缓存机制，并处理相关的延迟问题。 4. 使用测试文件夹中的示例程序进行实验验证，在必要时调整参数以优化性能。通过本次实验，你应该能更好地理解MIPS五级流水线中Cache的工作方式及其对处理器效率的影响，同时也能掌握软件和硬件协同工作的技巧。