计算机组成与体系结构课程实验：基于SPIM-CACHE的Cache实验基础教程

本教程由 ChatGPT 5.2 大模型生成！提示词以及附件如下：

• 附件：
  实验二.ppt
  MIPS32指令卡片.pdf
• 提示词:
  我正在完成一份计算机组成课程的实验，以下是实验要求：
  一．实验目的：
  （1）熟悉SPIM-CACHE模拟器环境
  （2）深入认识CACHE的工作原理及其作用。
  二．实验内容：
  （1）阅读实验指导书资料
  （2）下载SPIM-CACHE软件，理解英文论文的基本内容之后，给出几种典型的cache配置，运行英文论文提供的代码，记录运行时CACHE命中率等重要数据；
  （3）运行Fig.4代码，配置2个左右不同的CACHE环境，了解mapping functions 即映射规则
  （4）运行Fig.7代码，配置2个左右不同的CACHE环境，了解temporal and spatial locality 即时空局部性，进一步理解cache的工作原理；
  （5）运行Fig.8代码，配置4个左右不同的CACHE环境，运行学习replacement algorithms 即替代算法，理解其工作原理
  我不知道该如何操作这个实验，请告诉我实验流程，其中软件与代码文件已由老师提供

这个实验不是让你"自己写复杂程序" ，而是在老师给定的软件和代码基础上，通过不同 Cache 配置反复运行、记录数据、分析现象 。下面我按 "你实际该怎么一步一步做" 来给你一份 可直接照做的实验流程说明 ，对应你实验要求中的 5 点内容。

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目录

• • 一、实验整体你在"干什么"（先有全局概念）
  • 二、实验前准备（重要）
  • • [1️⃣ 打开 SPIM-CACHE](#1️⃣ 打开 SPIM-CACHE)
    • [2️⃣ 设置 PC 起始地址（非常关键）](#2️⃣ 设置 PC 起始地址（非常关键）)
    • [3️⃣ 加载老师给的程序代码](#3️⃣ 加载老师给的程序代码)
  • 三、实验内容（按实验要求一步一步来）
  • [（一）Fig.4：理解 Cache 映射规则（mapping functions）](#（一）Fig.4：理解 Cache 映射规则（mapping functions）)
  • • [🎯 实验目的](#🎯 实验目的)
    • [✅ 实验操作流程](#✅ 实验操作流程)
    • • [Step 1：选择 Fig.4 的代码（sum = ∑A）](#Step 1：选择 Fig.4 的代码（sum = ∑A）)
      • [Step 2：固定 Cache 总大小](#Step 2：固定 Cache 总大小)
      • [Step 3：改变"槽大小（Block Size）"](#Step 3：改变“槽大小（Block Size）”)
      • [Step 4：运行程序](#Step 4：运行程序)
      • [Step 5：记录数据（重点）](#Step 5：记录数据（重点）)
      • [Step 6：写分析（报告用）](#Step 6：写分析（报告用）)
  • [（二）Fig.7：理解时间/空间局部性（temporal & spatial locality）](#（二）Fig.7：理解时间/空间局部性（temporal & spatial locality）)
  • • [🎯 实验目的](#🎯 实验目的)
    • [✅ 实验操作流程](#✅ 实验操作流程)
    • • [Step 1：使用 Fig.7 代码](#Step 1：使用 Fig.7 代码)
      • [Step 2：修改外循环次数 N](#Step 2：修改外循环次数 N)
      • [Step 3：Cache 固定不变](#Step 3：Cache 固定不变)
      • [Step 4：分别运行并记录命中率](#Step 4：分别运行并记录命中率)
      • [Step 5：分析要点（报告必写）](#Step 5：分析要点（报告必写）)
  • [（三）Fig.8：理解替换算法（replacement algorithms）](#（三）Fig.8：理解替换算法（replacement algorithms）)
  • • [🎯 实验目的](#🎯 实验目的)
    • [✅ 实验操作流程](#✅ 实验操作流程)
    • • [Step 1：使用 Fig.8 代码](#Step 1：使用 Fig.8 代码)
      • [Step 2：修改访问间距（stride）](#Step 2：修改访问间距（stride）)
      • [Step 3：配置不同 Cache 环境（4 种左右）](#Step 3：配置不同 Cache 环境（4 种左右）)
      • [Step 4：运行并记录命中率](#Step 4：运行并记录命中率)
      • [Step 5：分析要点](#Step 5：分析要点)
  • 四、实验报告该怎么写（老师最关心）
  • • 推荐结构
  • 五、你现在可以直接做的事（行动清单）
  • 免责声明

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一、实验整体你在"干什么"（先有全局概念）

一句话总结：

用 SPIM-CACHE 模拟器，运行老师给定的 MIPS 程序（Fig.4 / Fig.7 / Fig.8），在不同 Cache 配置下，比较 Cache 命中率的变化，从而理解映射规则、局部性和替换算法。

你不需要：

• 自己写 Cache
• 自己实现算法
• 自己算复杂公式

你需要：

• 会改 Cache 参数
• 会运行程序
• 会抄数据、做表、写分析

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二、实验前准备（重要）

1️⃣ 打开 SPIM-CACHE

• 启动老师给你的 spim-cache

• 不要用 F5 直接运行

  • 用 F10（单步）
  • 或 F11（多步）

👉 这是实验明确要求的

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2️⃣ 设置 PC 起始地址（非常关键）

在每次运行程序前：

PC = 0x400000

否则程序可能直接跑飞或没数据。

👉 这是实验 PPT 明确写的前置条件！

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3️⃣ 加载老师给的程序代码

• Fig.4、Fig.7、Fig.8 的代码都已经由老师提供

• 你只需要：

  • 打开对应 .s 文件
  • 确认 .text 段存在
  • _start 是入口

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三、实验内容（按实验要求一步一步来）

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（一）Fig.4：理解 Cache 映射规则（mapping functions）

🎯 实验目的

理解：

• 直接映射 / 组相联
• 块大小改变 → 命中率变化

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✅ 实验操作流程

Step 1：选择 Fig.4 的代码（sum = ∑A）

这是一个顺序访问数组的程序，专门用来观察映射效果。

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Step 2：固定 Cache 总大小

统一设置：

Cache Size = 256B

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Step 3：改变"槽大小（Block Size）"

分别做三次实验：

实验编号	Cache Size	Block Size
1	256B	16B
2	256B	8B
3	256B	4B

映射方式可选：

• 直接映射
• 或 2 路 / 4 路组相联（老师允许你自行定义）

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Step 4：运行程序

• 设置 PC = 0x400000
• 用 F10 / F11 运行至结束
• 打开 Cache Statistics

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Step 5：记录数据（重点）

记录表格即可，例如：

Block Size	映射方式	I-Cache 命中率	D-Cache 命中率
16B	直接映射	xx%	xx%
8B	直接映射	xx%	xx%
4B	直接映射	xx%	xx%

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Step 6：写分析（报告用）

重点写：

• 块变大 → 空间局部性 ↑
• 块变小 → 冲突 miss ↑
• 为什么命中率会变化

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（二）Fig.7：理解时间/空间局部性（temporal & spatial locality）

🎯 实验目的

通过循环次数变化，观察：

• 时间局部性（重复访问）
• 空间局部性（相邻地址）

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✅ 实验操作流程

Step 1：使用 Fig.7 代码

老师给的代码结构是：

ext_loop:   # 外循环
loop:       # 内循环

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Step 2：修改外循环次数 N

依次修改为：

N = 1, 5, 10, 100

👉 PPT 已明确要求这样做

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Step 3：Cache 固定不变

Cache Size = 256B

映射方式你可选：

• 直接映射
• 2 路组相联

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Step 4：分别运行并记录命中率

示例表格：

N 值	映射方式	D-Cache 命中率
1	直接映射	xx%
5	直接映射	xx%
10	直接映射	xx%
100	直接映射	xx%

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Step 5：分析要点（报告必写）

• N 增大 → 重复访问同一数据
• 时间局部性增强 → 命中率明显上升
• Cache 起到"加速热点数据"的作用

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（三）Fig.8：理解替换算法（replacement algorithms）

🎯 实验目的

通过访问步长（stride）变化，观察：

• Cache 冲突
• 替换策略效果（如 LRU）

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✅ 实验操作流程

Step 1：使用 Fig.8 代码

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Step 2：修改访问间距（stride）

依次设置为：

1, 2, 4, 8, 16, 32, 64

同时：

外循环次数 = 100

👉 这是实验硬性要求

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Step 3：配置不同 Cache 环境（4 种左右）

例如：

实验	组相联度	替换算法
A	直接映射	---
B	2 路组相联	LRU
C	4 路组相联	LRU
D	4 路组相联	FIFO

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Step 4：运行并记录命中率

示例：

Stride	Cache 配置	命中率
1	2 路 LRU	xx%
8	2 路 LRU	xx%
32	2 路 LRU	xx%

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Step 5：分析要点

• stride 越大 → 空间局部性越差
• 组相联度 ↑ → 冲突 miss ↓
• LRU 通常优于 FIFO

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四、实验报告该怎么写（老师最关心）

老师 PPT 已明确：

报告以数据表格 + 分析为主，不需要运行截图

推荐结构

1. 实验目的
2. 实验环境（SPIM-CACHE + Cache 参数）
3. Fig.4 实验数据与分析
4. Fig.7 实验数据与分析
5. Fig.8 实验数据与分析
6. 总结（Cache 的作用 + 三点理解）

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五、你现在可以直接做的事（行动清单）

✔ 打开 spim-cache

✔ 设置 PC = 0x400000

✔ 跑 Fig.4 → 改 block size → 记命中率

✔ 跑 Fig.7 → 改 N → 记命中率

✔ 跑 Fig.8 → 改 stride + cache 配置 → 记命中率

✔ 做表格 + 写分析

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免责声明

本文由 ChatGPT 5.2 大模型生成，在此仅做搬运处理！