计算机组成原理虚拟实验室cache模块的设计与实现(附件)
随着计算机硬件技术的成长，CPU的运行速度快速提高，存储器的速度远远达不到处理器速率提高的水平。因为CPU不能实时获得存储器提供的数据而难以施展其高速的性能优势，存储器的速度已成为制约整个系统性能提高的壁垒。Cache是计算机存储系统中至关重要的组成部分，能够解决处理器与存储器速度不匹配的矛盾，同时Cache部分也是整个《计算机组成原理》课程的难点之一。本文介绍的计算机组成原理虚拟实验室的Cache模块（Principles of Computer Organization Virtual Lab-Cache module，以下简称PCOVL-Cache），用可视化方法实现并展示与Cache有关的技术环节，方便使用者做验证性及对比性实验，深入理解Cache的基本工作原理、实现方法，以及如何在计算机系统中提升效率。该系统使用面向对象的软件开发技术，采用Java语言编码，能够满足计算机组成原理中Cache实验的需要，具有良好的开放性、通用性以及平台无关性。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 国内外研究状况 2
2 Cache系统分析 3
2.1 Cache理论知识 3
2.1.1 Cache的基本原理 3
2.1.2 Cache的命中率 3
2.2 本项目研究目的和内容 4
2.3 系统分析 4
2.3.1 总体功能分析图 4
2.3.2 顶层模块图 5
2.3.3 PCOVLCache模块类图 6
3 Cache系统实现 6
3.1 核心功能顺序图 6
3.2 模拟器类设计与实现 7
3.3 Cache初始化的实现 9
3.4 指令执行过程实现 11
3.4.1 映像策略 14
3.4.2 替换策略 16
3.4.3 写策略 18
3.4.4 冯诺依曼结构Cache和哈佛结构Cache 19
3.5 实验数据文件处理 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
19
3.6 界面设计与实现 20
4 Cache系统测试 21
5 总结与展望 25
5.1 总结 25
5.2 同类工具比较 25
TEC5组成原理辅助实验软件Cache仿真实验 25
5.3 后续工作展望 26
致谢 27
参考文献 27
计算机组成原理虚拟实验室Cache模块的设计与实现
引言
1 绪论
1.1 研究背景
虚拟实验室简化了实验操作，屏蔽了传统实验方式在时间和空间的限制，并且节约了高校的资金[3]。虚拟实验室具备许多传统的仪器实验没有的优点：
具备良好的开放性，没有时间和空间的限制，能够缩短实验的周期；
节约实验经费，节省了物理实验设备，虚拟实验室的设备一般不存在故障；
交互性强，可以根据自身需求对实验设备进行改造，用以满足自身的需求；
安全性高，避免了传统实验中，由操作失误导致的严重危害；
抗干扰性强，屏蔽了接触不良、仪器故障等外界原因对实验结果造成的影响。
上述计算机组成原理中Cache部分的难点问题，都可以使用虚拟实验室的技术解决，研制一套针对Cache模块的可视化计算机组成原理实验平台，模拟Cache的工作环境和内容，构建“计算机组成原理虚拟实验室Cache模块”，用软件的方式模拟硬件的行为方式，使计算机组成原理课程Cache部分的实验可以在一台装有操作系统的计算机上完成。
1.2 国内外研究状况
高速缓冲存储器(Cache)技术是为了解决中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)和主存储器(Memory)之间速度匹配的问题而采用的一项关键技术，这一技术可以提高系统性能，并降低系统成本。在现代微处理器设计中，Cache技术为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computing，RISC)技术广泛应用提供重要的技术支撑，与流水线技术一起构成RISC成功的支柱[4]。至今Cache技术仍将对计算机应用的发展起到重要的推动作用。随着计算机技术和微电子技术的发展，Cache技术主要往多级、多核的方向发展。
多级Cache在现代处理器系统中被广泛应用，与早期的Cache技术不同，多级Cache技术是为了更好的解决Cache设计中出现的未命中、带宽及延时等问题[5]。多级Cache技术存在多个层次的Cache设计，使得不同层级的Cache可以使用不同的技术，实现系统的最优配置。由于多级Cache中存在不同层次Cache的命中率差异，离处理器最近一级的Cache命中几率大，所以低一级的Cache存在空闲时间，因此设计时可以用这一时间安排将来可能出现Cache未命中所需做的准备工作[6]。
Cache本身的发展带动着计算机系统性能的提升，未来更将有令人瞩目的成果，以往Cache的研究重点集中在站在设计的角度上研究Cache的结构，以及如何提高性能上。除了Cache的研究者，大多数的计算机从业者对于Cache与计算机系统的关联没有确切的认知。随着Cache技术的进一步发展，更加需要计算机从业者掌握深入理解Cache的基本工作原理、实现方法，从而在实际工作中应用来提升系统性能[7]。目前正缺少一款用于教学的Cache虚拟仿真软件，用来帮助学习者站在使用的角度，克服Cache学习难度及掌握深度的问题，深入掌握Cache如何在计算机系统中发挥其作用。
2 Cache系统分析
2.1 Cache理论知识
2.1.1 Cache的基本原理
高速缓冲存储器采用高速的半导体存储器件制造，存取速度远高于主存。由于Cache造价昂贵，一般容量远小于主存。Cache中仅保存主存中最活跃的若干块的副本，因此在工作过程中经常发生与主存之间的数据交换。
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
Key words 1
1 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.2 国内外研究状况 2
2 Cache系统分析 3
2.1 Cache理论知识 3
2.1.1 Cache的基本原理 3
2.1.2 Cache的命中率 3
2.2 本项目研究目的和内容 4
2.3 系统分析 4
2.3.1 总体功能分析图 4
2.3.2 顶层模块图 5
2.3.3 PCOVLCache模块类图 6
3 Cache系统实现 6
3.1 核心功能顺序图 6
3.2 模拟器类设计与实现 7
3.3 Cache初始化的实现 9
3.4 指令执行过程实现 11
3.4.1 映像策略 14
3.4.2 替换策略 16
3.4.3 写策略 18
3.4.4 冯诺依曼结构Cache和哈佛结构Cache 19
3.5 实验数据文件处理 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
19
3.6 界面设计与实现 20
4 Cache系统测试 21
5 总结与展望 25
5.1 总结 25
5.2 同类工具比较 25
TEC5组成原理辅助实验软件Cache仿真实验 25
5.3 后续工作展望 26
致谢 27
参考文献 27
计算机组成原理虚拟实验室Cache模块的设计与实现
引言
1 绪论
1.1 研究背景
虚拟实验室简化了实验操作，屏蔽了传统实验方式在时间和空间的限制，并且节约了高校的资金[3]。虚拟实验室具备许多传统的仪器实验没有的优点：
具备良好的开放性，没有时间和空间的限制，能够缩短实验的周期；
节约实验经费，节省了物理实验设备，虚拟实验室的设备一般不存在故障；
交互性强，可以根据自身需求对实验设备进行改造，用以满足自身的需求；
安全性高，避免了传统实验中，由操作失误导致的严重危害；
抗干扰性强，屏蔽了接触不良、仪器故障等外界原因对实验结果造成的影响。
上述计算机组成原理中Cache部分的难点问题，都可以使用虚拟实验室的技术解决，研制一套针对Cache模块的可视化计算机组成原理实验平台，模拟Cache的工作环境和内容，构建“计算机组成原理虚拟实验室Cache模块”，用软件的方式模拟硬件的行为方式，使计算机组成原理课程Cache部分的实验可以在一台装有操作系统的计算机上完成。
1.2 国内外研究状况
高速缓冲存储器(Cache)技术是为了解决中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)和主存储器(Memory)之间速度匹配的问题而采用的一项关键技术，这一技术可以提高系统性能，并降低系统成本。在现代微处理器设计中，Cache技术为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computing，RISC)技术广泛应用提供重要的技术支撑，与流水线技术一起构成RISC成功的支柱[4]。至今Cache技术仍将对计算机应用的发展起到重要的推动作用。随着计算机技术和微电子技术的发展，Cache技术主要往多级、多核的方向发展。
多级Cache在现代处理器系统中被广泛应用，与早期的Cache技术不同，多级Cache技术是为了更好的解决Cache设计中出现的未命中、带宽及延时等问题[5]。多级Cache技术存在多个层次的Cache设计，使得不同层级的Cache可以使用不同的技术，实现系统的最优配置。由于多级Cache中存在不同层次Cache的命中率差异，离处理器最近一级的Cache命中几率大，所以低一级的Cache存在空闲时间，因此设计时可以用这一时间安排将来可能出现Cache未命中所需做的准备工作[6]。
Cache本身的发展带动着计算机系统性能的提升，未来更将有令人瞩目的成果，以往Cache的研究重点集中在站在设计的角度上研究Cache的结构，以及如何提高性能上。除了Cache的研究者，大多数的计算机从业者对于Cache与计算机系统的关联没有确切的认知。随着Cache技术的进一步发展，更加需要计算机从业者掌握深入理解Cache的基本工作原理、实现方法，从而在实际工作中应用来提升系统性能[7]。目前正缺少一款用于教学的Cache虚拟仿真软件，用来帮助学习者站在使用的角度，克服Cache学习难度及掌握深度的问题，深入掌握Cache如何在计算机系统中发挥其作用。
2 Cache系统分析
2.1 Cache理论知识
2.1.1 Cache的基本原理
高速缓冲存储器采用高速的半导体存储器件制造，存取速度远高于主存。由于Cache造价昂贵，一般容量远小于主存。Cache中仅保存主存中最活跃的若干块的副本，因此在工作过程中经常发生与主存之间的数据交换。
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