计算机组成原理
实验报告
学院（系）：软件学院
专业：软件设计
班级：软件设计一班
学号：
姓名：
2017年12月4日
实验1 Cache模拟器的实现
一.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不命中率的各种方法以及这些方法对提高Cache性能的好处。
(4)理解LRU与随机法的基本思想以及它们对Cache性能的影响。
二、实验内容和步骤
1、启动CacheSim。
2、根据课本上的相关知识，进一步熟悉Cache的概念和工作机制。
3、依次输入以下参数：Cache容量、块容量、映射方式、替换策略和写策略。
4、读取cache-traces.zip中的trace文件。
5、运行程序，观察cache的访问次数、读/写次数、平均命中率、读/写命中率。思考：
1、Cache的命中率与其容量大小有何关系？
回答：Cache 的容量与块长是影响cache效率的重要因素；Cache 容量越大，其CPU命中率就越高，当然容量过大，增加成本，而且cache容量达到一定值时，命中率已不因容量的增加而又明显的提高；
2、Cache块大小对不命中率有何影响？
回答：Cache 当块由小到大，在已被访问字的附近，近期也可能访问，增大块长，可将更多有用字存入缓存，提高命中率；但是继续增大块长，命中率可能下降，因为所装入缓存的有用数据反而少于被替换掉的有用数据，由于块长增大，块数减少，装入新的块要覆盖旧块，很可能出现少数块刚装入就被覆盖，故命中率可能下降；
3、替换算法和相联度大小对不命中率有何影响？
回答：替换算法中:LRU算法的平均命中率比FIFO的高。LRU算法比较好地利用
访存局部性原理，替换出近期用得最少的字块，它需要随时记录cache 各个字块使用情况。FIFO不需要记录各个字块的使用情况，比较容易实现开销小，但是没有根据访存的局部性原理，最早调入的信息可能以后还要用到，或经常用到例如循环程序；Cache 容量一定时，随着相联度的不断增加，不命中率渐渐减小，但是当相连度增加到一定程度时，不命中率保持不变；
三.实验结果分析
1，Cache的命中率与其容量大小的关系
将所有测试的数据绘制成折线图，更清晰的展现，如下：
2，Cache块大小对不命中率的影响
3，替换算法对命中率影响数据分析
4，FIFO
5，LRU
6，Random
7，相关度大小对命中率的影响
折线图
四.实验心得
对实验所需要的重点名词，进行了理解；命中率，访问效率，平均访问时间例题进行了理解，从而分析了Cache容量，相关度，块大小，替换算法对命中率的影响；
因为LRU 、FIFO 、RANDOM替换算法对命中率也有这一些影响；
看了主存地址映射：有直接映射，全相连映射，感觉有一些迷糊了；
不是太容易理解了，然后百度搜了一些相连度大小对命中率影响，然后运用CacheSim 模拟器，仅仅从一个数值中值看出来简单的变化；
但是并不能看出有什么规律；然后把它们用excel做成折线图，发现其中存在的规律；然后翻阅书籍；解释为什么会存在着现象；这种实践让在学习知识点的过程中，更加有说服性了；
、
实验2 运算器的编程实现
一、实验目的
1、加深对计算机中运算器的基本概念、运算方法和基本原理的理解。
2、提高学生对计算机编程语言掌握的熟练程度。
二、实验内容
运用一种编程语言实现计算器的基本功能。
思考：
1、计算机中数据是如何表示的？
回答：计算机中数据都是以二进制形式表示的；
实际数表示方法：符号（正负数）
数值处理（数制转换）
小数点的处理（定点浮点）
机器数的表示方法：原码反码补码
2、计算机中二进制数的加、减、乘、除四则运算如何实现？
回答：全部采用的是二进制，因为它只使用0,1两个数字符号，非常简单方便，易于用电子方式实现，计算机内部处理的信息，都是采用二进制数来表示，二进制（binary）数用0和1两个数字及其组合来表示任何数，进位规则是逢“2进1”数字1在不同的位上代表不同的值，按从右至左的次序，这个值以二倍递增。
3、运算器的基本结构和功能有哪些？
回答：对于有符号的数而言
1：二进制的最高位是符号位：0表示正数；1表示负数
2：正数的原码、反码、补码都一样
3：负数的反码=它的原码符号位不变，其他位取反1->0
4：负数的补码= 它的反码+1
5: 0的反码，补码都是0；
6：在计算机运算时，都是以补码的方式来运算的；
三.实验结果分析
简单补码反码原码运算图形表示：
4个位运算：分别是& | ^ ~
按位与& ：两位都为1，结果为1
按位或| ：两位有一个为1，结果为1；
按位异或^：两位一个为0，一个为1，结果为1；
按位取反~：0->1; 1->0
运算器由算术逻辑单元（ALU）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成；针对没一种算术运算，都必须有一个相对应的基本硬件配置，其核心部件是加法器和寄存器，当需要完成逻辑运算时，势必需要配置相应的逻辑电离能，而ALU电路是既能完成算术运算又能完成逻辑运算的部件；
功能：运算器的基本操作包括加、减、乘、除四则运算，与、或、非、异或等逻辑操作，以及移位、比较和传送等操作
