NEMU PA 3-1 实验报告

一、实验目的

在前面的PA1中，我们实现了CPU和FPU，在PA2中我们实现了对指令的解码和对ELF的装载，以及进一步完善了CLI调试器。那么在整个PA3中，我们将要着力于内存的相关处理，如Cache，段式存储，页表划分等。

在PA3-1中，我们将完成CPU中的Cache，模仿实际上的数据快速读取（虽然在NEMU中启用Cache会更慢）。

二、实验步骤

首先我们来了解一下Cache。

• 为什么要有Cache？每次取指令、存取操作数都要访存，频繁的访存大大影响了运算的速度。
• Cache的基本原理是甚魔？程序运行时时间和空间上的局限性，刚刚被访问过的数据以及它附近的数据很有可能再次被访问。
• 设计Cache时有啥要注意的问题？主存如何映射到Cache，Cache满了要怎么替换，Cache和主存的数据怎么保持一致。

通过课本和课上对Cache的认识，我们摸索透上面的几个问题后，就可以来看看NEMU中的实现要求：

• cache block存储空间的大小为64B
• cache存储空间的大小为64KB
• 8-way set associative 八路组相联
• 标志位只需要valid bit即可
• 替换算法采用随机方式
• write through 直写法
• not write allocate 非写时分配

好，让我们一步一步来：

• 首先是要开启NEMU中的Cache宏（方便做完PA3-1后关掉Cache）。代码位于include/config.h：

  

• 然后编辑 nemu/include/memory/mmu/cache.h，在里面要做的事情是定义Cache行的结构体。我在这里顺便把Cache数组也做出来了，不用再到c文件中去定义一趟。（在这里NEMU的目录划分没有那么讲究，因为本来Cache是不该放在mmu目录下的。）

  

  定义好后，我们可以在这个头文件继续声明一些Cache相关的函数，如初始化函数init_cache()，读写函数cache_read()和cache_write()

  

• 继续编辑nemu/src/memory/mmu/cache.c，完成对上面函数的定义。具体要求如：

  

  一个十分重要的点是要处理好跨Cache行的问题。

• 完成上面的步骤后，就可以在内存的相关操作中进行对Cache操作的调用。编辑 nemu/src/memory/memory.c，加上#include "memory/mmu/cache.h"，在init_mem()函数中调用init_cache()，在paddr_read()和paddr_write()中分别通过cache_read()和cache_write()函数来实现对物理地址的读写。建议加上条件编译，方便一步开关Cache：