解读一个四路组相联cache代码

在《计算机组成原理，软硬件接口》中，第五章便是cache的学习。本人初学cache，难免有疏漏之处，源代码github地址：https://github.com/airin711/Verilog-caches

1、四路组相联cache主要特征如下：

• 使用写分配写回；
• 块大小为十六字（64字节或1024位）；
• 缓冲内包含2^14个块；
• 25位地址；
• cache每个块包含有效位和脏位。
• Cache块索引为14位；
• 块内偏移为4位；
• 标签大小为25-14-2=9位；

其原理图如下，包含命中、修改和失效的判断方法；脏位、有效位和标签的更新方法；字节、比特的选择方法（数据流仅画了一组）：

2、控制信号

处理器与cache之间的控制信号：

存储器与cache之间的控制信号：

3、在组相联cache中查找所需数据块：

在同一组内的每个cache块的标签都需要比较，判断是否与处理器访问的数据块地址匹配。索引位用来选择访问数据所在的组，该组内所有数据块的标签都需要比较。组相联cache相对于直接映射而已，在于需要更多的比较器，以及由于比较器和选择带来的延迟。

4、失效时的替换方法：

该组相联cache采用最近最少使用（RLU）方法替换数据块。

最近最少使用替换规则：对四路组相联来说，采用额外的存储单元ram_hot，每组有2bit的独热码。若第i组被访问过，则将表示第i组的独热码放在最前面。独热码的初始值及更新规则如下：

5、状态机简介

该有效状态机大体可分成三部分：

①、标签比较COMP：该状态检测读或写是命中还是失效。若命中，如果是加载指令就从选择的字中读取数据，如果是存储指令就将数据写入选择的字中，并设置脏位为1；若失效，先更新cache标签，之后如果当前脏位为1，则转跳到写回状态，如果为0，则转跳到分配状态。

②、写返回（WB1、WB2）：该状态使用有标签和cache索引组成的地址将128位的块写回存储器。等待存储器写操作完成后，有限状态机跳转到分配状态。

当发生写回时，判断最近最少使用的哪一项对应哪个数据块，将其写回。

if(r_cm_data[1:0] == 2'b00) fetch_write <= 4'b0001;
else if(r_cm_data[1:0] == 2'b01) fetch_write <= 4'b0010;
else if(r_cm_data[1:0] == 2'b10) fetch_write <= 4'b0100;
else if(r_cm_data[1:0] == 2'b11) fetch_write <= 4'b1000;o_m_addr <= (fetch_write[0]) ? {wb_addr0, 3'b000} :
(fetch_write[1]) ? {wb_addr1, 3'b000} :
(fetch_write[2]) ? {wb_addr2, 3'b000} : {wb_addr3, 3'b000};o_m_writedata <= (fetch_write[0]) ? readdata0 : 
(fetch_write[1]) ? readdata1 : 
(fetch_write[2]) ? readdata2 : readdata3;

③、分配（FETCH1、FETCH2、FETCH3）：从存储器中取出一个新块直接返回给处理器；