华中科技大学-Cache直接相联映射

实验目的：

1． 通过实验掌握下列知识:
2． 掌握cache实现的三个关键技术：数据查找，地址映射，替换算法
3． 熟悉译码器，多路选择器，编码器，寄存器的使用
4． 在Logisim平台中实现cache直接相联映射机制

设计思路：

Cache实验中提供了一个自动测试框架，如图所示，需要你实现绿色的cache子电路，注意为了简化实验，这里cache是一个只读的cache，类似CPU中的指令cache，不需要处理一致性问题和写入逻辑，cache一个数据块是四个字节。这个测试电路可以对实现的cache模块进行自动测试，判断正确性，并给出最终的命中率，右边那么这个是块交换逻辑，负责cache与二级存储器之间的数据交换 ，数据交换是以块为单位二级存储器以字节为单位进行访问，由于二级存储器相比cache慢很多，所以块交换逻辑要多次访问二级存储器得到一个数据块传递给cache，数据块通过BlkDin这根数据线传输给cache，准备好一个数据块需要若干个时钟周期这和实际cache类似。
你不需要过多的关心块交换内部的逻辑实现，只需要了解cache模块在发生缺失的时候，也就是这个Miss输出信号为1时候块交换逻辑开始进行工作，经过若干个时钟以后会将数据块通过blkin传送给cache，同时将blkready信号置1，表示块数据就绪，这是块数据准备好的应答信号。cache接收到这个BlkReady的信号以后，就可以将整块的数据从BlkDin写入到对应的cache行中，当写入完成后，由于数据变成命中，自然Miss信号会消失左侧模块主要是一个时钟计数器，依次从trace存储器中取出不同访问地址，访问数据。这个地址送到cache后，cache应该判断命中或缺失，并给出缺失信号。如果命中，相关数据可以立即输出到Dataout端，系统会自动累加计算校验和，这是cache访问只需要一个时钟周期，。如果缺失Miss信号为高电平，二级存储器开始漫长的访问数据块的操作，整个操作需要多个时钟周期，而计数器会停止工作等待数据命中，具体实现逻辑在这里，控制计数器的使能端，另外这里还有一个running信号，是由这边比较器产生的，控制内存访问次数，这里计数器停止工作等待命中和CPU在缺失时不能工作一样，当数据块ok后讲blkready置1，cache模块在时钟到来时讲数据写入合适 的cache行中，写入后cache命中。 我们可以利用ctrl+k驱动时钟自动运行，系统会进行自动测试，最终cache的命中率会显示在这里

具体逻辑实现：

假设cache有8行，每个数据块包括四个字，cache行中的查找信息包括valid和主存块地址标记字段主存地址，可细分为标记字段tag和行索引字段index和字偏移地址offset3部分，其中标记字段tag就是区地址首先需要实现数据查找的功能，对于直接相联映射，由于一个主存块只能对应到cache中的特定行，所以查找算法比较简单，我们只需要到指定cache行中查看valid和标记位即可知道数据是否命中从硬件逻辑的角度，只需要将行索引字段index送入到一个行索引译码器，得到8个行译码输出L0-L7
，其中输出为高电平的那一行就是指定的cache行，利用8个行译码输出信号控制8个三态门将所有行的有效位和标记字段输出到比较器，根据译码器的定义，只有当前主存地址对应的那一行的数据才会输出，将valid位和1进行比较，将tag位和主存地址中的tag进行比较，如果相等表示命中，否则表示缺失，对于直接相连映射的查找逻辑，这里只需要一个行译码器和一个比较器。
另外还可以用这8路译码信号控制cache块数据的输出，将所有cache行的数据块都通过三态门输出到数据总线slotdata上，三态门的控制端就是这8个译码信号，命中时，命中行的数据会输出到slotdata，具体选择数据块中的哪一个字由主存地址中的offset字段进行选择，这里可以利用一个多路选择器进行选择，注意命中信号直接连接多路选择器的使能端，缺失时输出高阻态。
最后再来看看整个cache的读取流程，给出一个主存地址，经过行索引译码器，假设L1译码输出，则第一行的数据，L0位高电平，第零行命中，L0控制对应的三态门将第零行的块数据输出到SlotData，再利用主存地址中的字偏移地址2选择当前块中的第2个字输出，就完成了cache的读操作。Cache读命中时间最短，现代cpu中取指令取操作数都是从cache得到，通常在一个时钟周期内完成，所以cache性能直接决定了cpu性能。

思考与体会：

本次实验认识和掌握Cache直接相连的原理及其设计方法以及掌握Cache控制器的实现方法，代码实现方法。
对于cache的理解更加深入，工作的机制和原理比较清晰。
其中遇到了比较多的问题，逐一上网查询解决办法，并逐个进行尝试，并最终得到了解决，对于个人的信心有极大的提高。最后总的来说比较完整的完成实验。

具体资源字啊这里：

https://download.youkuaiyun.com/download/qq_46037206/87340347