### 计算机组成原理实验报告相关知识点
#### 一、Cache模拟器的实现
**实验目的**
- 加深理解Cache的基本概念、组织结构及工作原理。
- 掌握Cache容量、相联度、块大小等因素对性能的影响。
- 学习如何降低Cache不命中率并提高性能的方法。
- 理解LRU与随机法的基本思想及其对性能的影响。
**实验内容与步骤**
1. **启动CacheSim**：通过CacheSim模拟器来观察不同参数设置对Cache性能的影响。
2. **熟悉Cache概念与工作机制**：深入学习Cache的基本理论知识。
3. **参数变化观察**：
- **Cache容量变化**：保持块容量、映射方式、替换策略、写策略不变，观察命中率的变化。
- **块容量改变**：在Cache容量、映射方式、替换策略、写策略不变的情况下，调整块容量并观察命中率的变化。
- **映射方式变化**：保持Cache容量、块容量、替换策略、写策略不变，调整映射方式（如直接映射、组相联映射、全相联映射），观察命中率的变化。
- **替换策略变化**：保持Cache容量、块容量、映射方式、写策略不变，更换不同的替换策略（如LRU、FIFO、随机替换），观察命中率的变化。
4. **读取trace文件**：读取cache-traces.zip中的trace文件进行分析。
5. **运行程序**：运行CacheSim模拟器，获取访问次数、读/写次数、平均命中率、读/写命中率等数据。
**实验结果分析**
- **Cache容量与命中率的关系**：通常情况下，Cache容量越大，命中率越高，但超过一定阈值后，增加容量对提高命中率的作用会逐渐减弱。
- **块大小对不命中率的影响**：增大块大小可以在一定程度上提高命中率，因为这有助于捕获更多的局部性信息；但如果块太大，可能会导致有用的缓存数据被替换掉，从而降低命中率。
- **替换算法与相联度对不命中率的影响**：
- LRU算法能够较好地利用时间局部性原理，通常比FIFO或随机替换算法表现更好。
- 相联度的选择会影响Cache的性能。直接映射方式虽然简单，但可能导致冲突不命中较多；全相联映射方式虽然能够减少冲突不命中，但由于硬件复杂度较高，实际应用中更倾向于采用组相联映射方式作为折衷方案。
#### 二、MIPS指令系统和MIPS体系结构
**实验目的**
- 熟悉指令级模拟器MIPSsim的操作和使用方法。
- 深入了解MIPS指令系统及其特点。
- 掌握MIPS体系结构。
**实验内容与步骤**
1. **启动MIPSsim**：首先启动MIPSsim模拟器，并设置模拟器工作在非流水线模式。
2. **熟悉MIPSsim模拟器**：通过载入样例程序来熟悉模拟器的操作流程。
3. **观察程序执行情况**：观察CPU寄存器和内存内容的变化，理解程序执行过程。
4. **Load和Store指令**：执行具体的Load和Store指令，观察其对内存和寄存器的影响。
**关键知识点总结**
- **Cache的工作原理**：Cache是一种高速缓冲存储器，用于存储处理器最常用的数据和指令，以加快处理器的访问速度。它基于局部性原理设计，即一段时间内，处理器倾向于访问某个特定区域内的数据或指令。
- **Cache的组织结构**：包括Cache容量、块大小、映射方式（直接映射、组相联映射、全相联映射）、替换策略（LRU、FIFO、随机替换）等因素，这些都会直接影响Cache的性能。
- **MIPS指令系统**：MIPS是一种RISC架构的指令集，特点是简单高效。MIPSsim模拟器可以帮助学生更好地理解MIPS指令的工作原理和体系结构。
- **MIPS体系结构**：MIPS体系结构包括寄存器文件、ALU、内存接口等组成部分。通过模拟器，可以观察到这些组件如何协同工作以执行程序。
通过这两个实验，学生不仅能够深入了解Cache的工作原理和优化方法，还能够熟悉MIPS指令系统的具体应用，这对于理解计算机硬件结构和提高编程能力都非常重要。
