虚拟存储层次结构实验：Cache-主存命中率分析

"该文档是关于计算机系统结构的实验指导，主要关注Cache-主存层次结构中的命中率计算。实验目标是让学生理解虚拟存储层次结构，掌握存储地址映射和替换算法，如全相联、直接映射和组相联方式，以及FIFO和LRU算法。实验内容是在模拟器上实施任意地址流下的命中率计算，要求能够灵活调整主存容量、Cache大小、页大小和块大小等参数，并采用高级语言实现。实验步骤包括初始化Cache和存储矩阵，输入访问序列，执行LRU组相联替换算法等，最终计算并显示命中率。提供的代码片段展示了实验的部分实现，包括数组初始化和LRU替换算法的起点。" 在计算机系统结构中，Cache-主存层次设计是提高系统性能的关键技术。Cache是一种高速小容量的存储器，位于CPU和主存之间，用于减少CPU访问主存的等待时间。本实验重点探讨了三种不同的Cache映射方式： 1. **全相联映射**（Fully-Associative Mapping）：在这种方式下，任何Cache块都可以映射到Cache的任何位置。全相联映射提供了最大的灵活性，但查找效率较低。 2. **直接映射**（Direct-Mapped Mapping）：每个主存块只映射到Cache的特定位置。这种方式简化了查找过程，但可能导致冲突问题，即多个主存块映射到同一Cache位置。 3. **组相联映射**（Set-Associative Mapping）：是全相联和直接映射的折中，主存块映射到特定组内的任何位置。实验中提到的组大小Q决定了每个组内可以包含的Cache块数量。 替换算法是处理Cache未命中时的重要策略。LRU（Least Recently Used）算法是其中的一种，它基于“最近最少使用的块最可能在未来被再次使用”的假设，每次替换掉最近最久未使用的块。在实验中，LRU算法用于决定当Cache满且新数据需要放入时，哪个现有的块应该被替换出去。 实验还涉及到主存和Cache的参数可调性，如主存容量N、Cache大小M、页大小、块大小等，这使得实验更具灵活性，能够模拟不同配置下的Cache行为。通过输入一组访问序列，可以模拟实际程序运行过程，进而计算出在不同条件下的Cache命中率。 实验步骤中还包括初始化Cache状态和存储矩阵，以及记录Cache中元素的操作，这些都是实现LRU算法的基础。在代码片段中，我们看到`initialTable()`和`initialCache()`函数用于初始化，`inputSortNumbers()`用于获取访问序列，`recordCache()`用于跟踪Cache状态，而`updateCache()`函数则可能是实现LRU算法的核心部分，但由于代码不完整，这部分的具体实现无法在此处详述。 这个实验旨在通过实践加深对Cache工作原理的理解，提升对存储层次设计和优化的技能，同时熟悉高级语言编程，为后续的系统性能分析和优化打下基础。