logisim实验全相联映射cache

Logisim实验

中国地质大学信息工程学院

2010-3-26

Logisim实验

修订历史记录

日期 2009-4-2 2009-4-20 2010-4-27 2011-3-26 2011-3-31 2012-10-21 2013-9-21 版本号 初稿 增加fsm部分 修改fsm部分 补充部分中文缺失的地方，增加中文翻译 补充子电路和分解器的说明 删减部分实验（触发器） 修改部分ALU的内容（不自己做这个部件） 修改说明 修改人 陈亮 陈亮 陈亮 陈亮 核准人 陈亮 陈亮 陈亮

计算机组成与设计

模板版本：2.1 2 / 22

Logisim实验

目 录

1

熟悉环境 .............................................................................................................................................. 4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2

基本功能： ...................................

实验1 Cache性能分析

1 实验目的

(1) 加深对Cache的基本概念、基本组织结构以及基本工作原理的理解。 (2) 掌握Cache容量、相联度、块大小对Cache性能的影响。 (3) 掌握降低Cache

2 实验平台

采用MyCache模拟器。

MyCache模拟器的使用方法：

(1) 双击MyCache.exe，启动模拟器。 (2) 系统打开操作界面，如下图所示：

(3) 可以设置的参数包括Cache的容量、块大小、相联度、替换算法、预取策略、写策略、写不命中时的调块策略。可以直接从列表中选择。

(4) 访问地址可以选择来自地址流文件，也可以选择手动输入。如果是前者，则可以通过单击“浏览”按钮，从模拟器所在文件夹下的“地址流”文件夹中选取地址流文件（.din）文件，然后执行。执行得方式可以是单步，也可以选择一次执行结束。如果选择手动输入，就可以在“执行控制”区域中输入块地址，然后单击“访问”按钮。系统会在界面的右边显示访问类型、地址、块号以及块内地址。

3 实验内容和步骤

3.1 Cache容量对不命中率的影响

(1) 启动MyCache。

(2) 单击“复位”按钮，将各参数设置为默认值。

(3) 选择一个地址流文

Logisim实验

中国地质大学信息工程学院

2010-3-26

Logisim实验

修订历史记录

日期 2009-4-2 2009-4-20 2010-4-27 2011-3-26 2011-3-31 2012-10-21 2013-9-21 版本号 初稿 增加fsm部分 修改fsm部分 补充部分中文缺失的地方，增加中文翻译 补充子电路和分解器的说明 删减部分实验（触发器） 修改部分ALU的内容（不自己做这个部件） 修改说明 修改人 陈亮 陈亮 陈亮 陈亮 核准人 陈亮 陈亮 陈亮

计算机组成与设计

模板版本：2.1 2 / 14

Logisim实验

目 录

1

熟悉环境 .............................................................................................................................................. 4 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2

基本功能： ...................................

Logisim的简单入门

一，准备工作 参考：

罗老板的计算机结构与组成课程 http://xgxy.cug.edu.cn/rjgcx/lzw/COD/

Machine Structures. Spring 2010, UC Berkeley http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/sp10/ 软件环境：

Logisim仿真软件（需要JAVA虚拟机） http://ozark.hendrix.edu/~burch/logisim/ QuartusII 8.1

http://www.altera.com.cn/ 硬件环境：

PC机with Windows XP

DE2开发板（DE2 Development and Education Board User Manual） 参考书：

Computer.Organization.and.Design 关于QuartusII的使用教程

先来以一个与门电路的实验，来看一下基本的操作，在Logisim中一个与门电路生成过程如下：

1.按与门的选择按钮，添加一个与门到电路中。

2.使用按钮添加一个输入引脚，用于设置输入电平。

3.添加一个引脚，通过属性中设置Pin的

Logisim的简单入门

一，准备工作 参考：

罗老板的计算机结构与组成课程 http://xgxy.cug.edu.cn/rjgcx/lzw/COD/

Machine Structures. Spring 2010, UC Berkeley http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~cs61c/sp10/ 软件环境：

Logisim仿真软件（需要JAVA虚拟机） http://ozark.hendrix.edu/~burch/logisim/ QuartusII 8.1

http://www.altera.com.cn/ 硬件环境：

PC机with Windows XP

DE2开发板（DE2 Development and Education Board User Manual） 参考书：

Computer.Organization.and.Design 关于QuartusII的使用教程

先来以一个与门电路的实验，来看一下基本的操作，在Logisim中一个与门电路生成过程如下：

1.按与门的选择按钮，添加一个与门到电路中。

2.使用按钮添加一个输入引脚，用于设置输入电平。

3.添加一个引脚，通过属性中设置Pin的

练习

1、 计算机主存容量8MB，分为4096个主存块，cache有64KB，请问 若按照采用直接映射方式。 1) cache有多少字块？

2) Cache的字块内地址为多少位 3) Cache的字块地址为多少位 4) 请写出该主存的地址格式

5）若按照全相联映射方式请写出该主存的地址格式 解答：

1）每字块大小为8MB/4096= 2KB ,cache有64KB，cache块的大小与主存的块大小一样，都为2KB，所以有64KB/2KB=32个块

2）Cache的字块与主存的字块一样大小都为2KB=211B，所以cache的字块内地址为11位

，

3）Cache有32块=25所以Cache的字块地址为5位

4）主存容量8MB=223B，主存地址为23位，按直接映射方式的地址格式

主存标志位 7位 Cache块号 5位 主存标志位 12位 块内地址 11位 块内地址 11位 5）按照全相联映射方式请写出该主存的地址格式

2、一个组相联高速缓存由64个字块组成，每个字块有256字节，分为8组，主存有4096个字块。请问：

1）主存地址有多少位

2）请写出主存地址的格式。 解答：

1） 主存容量为4096块*256字=220字，故主存地址为20位

1 I/O空间-----I/O端口和I/O内存

首先上图，如下：外设中的寄存器被称为I/O端口，外设中的内存被称为I/O内存。二者合起来统称为I/O空间。

设备驱动程序要直接访问外设或其接口卡上的物理电路，这部分通常都是以寄存器的形式出现。外设寄存器称为I/O端口，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类。根据访问外设寄存器的不同方式，可以把 CPU分成两大类。

一类CPU（如M68K，Power PC，ARM，Unicore等）把这些寄存器看作内存的一部分，寄存器参与内存统一编址，访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行，所以，这种CPU没有专门用于设备I/O的指令（可以以此判定体系为哪种）。这就是所谓的“I/O内存”方式。 另一类CPU（如X86）将外设的寄存器看成一个独立的地址空间，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存 器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。这就是所谓的” I/O端口”方式 。但是，用于I/O指令的“地址空间”相对来说是很小的。事实上，现在x86的I/O地址空间已经非常拥挤。

但是，随着计算机技术的发 展，单纯的”I/O端口\方式无法满足实际需要了，因为这种

1 I/O空间-----I/O端口和I/O内存

首先上图，如下：外设中的寄存器被称为I/O端口，外设中的内存被称为I/O内存。二者合起来统称为I/O空间。

设备驱动程序要直接访问外设或其接口卡上的物理电路，这部分通常都是以寄存器的形式出现。外设寄存器称为I/O端口，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类。根据访问外设寄存器的不同方式，可以把 CPU分成两大类。

一类CPU（如M68K，Power PC，ARM，Unicore等）把这些寄存器看作内存的一部分，寄存器参与内存统一编址，访问寄存器就通过访问一般的内存指令进行，所以，这种CPU没有专门用于设备I/O的指令（可以以此判定体系为哪种）。这就是所谓的“I/O内存”方式。 另一类CPU（如X86）将外设的寄存器看成一个独立的地址空间，所以访问内存的指令不能用来访问这些寄存 器，而要为对外设寄存器的读／写设置专用指令，如IN和OUT指令。这就是所谓的” I/O端口”方式 。但是，用于I/O指令的“地址空间”相对来说是很小的。事实上，现在x86的I/O地址空间已经非常拥挤。

但是，随着计算机技术的发 展，单纯的”I/O端口\方式无法满足实际需要了，因为这种

第二节 分式线性映射一、分式线性映射的概念 二、几种简单的分式线性映射 三、分式线性映射的性质 四、小结与思考

一、分式线性映射的概念az b w (ad bc 0, a , b, c , d均为常数.) cz d称为分式线性映射.小知识

说明:

1) ad bc 0的限制，保证了映射的 保角性.

dw ad bc 否则, 由于 2 0, 有w 常数. dz (cz d )那末整个z平面映射成 w平面上的一点.2

az b dw b ( 3) w z ( d )( a ) bc 0 cz d cw a 则, 逆映射仍为分式线性的 , az b 故又称w 为双线性映射. ~~~~~~~~~~ cz d分式线性映射(1)总可以分解成下述三种特殊 映射的复合：

1 ( i ) w z b ( ii ) w az(a 0) ( iii )w z称为： 平移 整线性 反演3

( A, B复常数) az b a b 当c 0时，w w z Az B cz d d d d ad a( z ) b a b

几乎每一种外设都是通过读写设备上的寄存器来进行的。外设寄存器也称为“I/O端口”，通常包括：控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，而且一个外设的寄存器通常被连续地编址。CPU对外设IO端口物理地址的编址方式有两种：一种是I/O映射方式（I/O－mapped），另一种是内存映射方式（Memory－mapped）。而具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。

有些体系结构的CPU（如，PowerPC、m68k等）通常只实现一个物理地址空间（RAM）。在这种情况下，外设I/O端口的物理地址就被映射到CPU的单一物理地址空间中，而成为内存的一部分。此时，CPU可以象访问一个内存单元那样访问外设I/O端口，而不需要设立专门的外设I/O指令。这就是所谓的“内存映射方式”（Memory－mapped）。

而另外一些体系结构的CPU（典型地如X86）则为外设专门实现了一个单独地地址空间，称为“I/O地址空间”或者“I/O端口空间”。这是一个与CPU地RAM物理地址空间不同的地址空间，所有外设的I/O端口均在这一空间中进行编址。CPU通过设立专门的I/O指令（如X86的IN和OUT指令）来访问这一空间中的地址单元（也即I/O端口）。这就是所谓的“I/