高速缓冲存储器
实验原理
实验设计的存储器字长是4位。CACHE共32个字，采用直接映像，分8个块（BLOCK），也称作行（LINE），每块4个字（WORD）；主存地址空间是256个字，按CACHE大小分区，即每区32字，共分8个区。实验原理如图 1。直接映像将地址分为三个部分：区号、块号、块内地址（也称字地址），用块号作为TAG和Cache行的地址。TAG存储器存放每个CACHE 行对应的主存块的区号，VALID存储器字长为1，复位时清0，主存块装入CACHE某一块时该块的VALID置1。
图 1. 直接相联映像方式CACHE结构
当访问主存某一单元时，以A7～A0中的块号为地址找到TAG存储器中的相应单元，并将该TAG单元内容与A7～A0中的区号比较一致并且VALID为1，表示Cache命中，此时用A7～A0中的块号选择Cache行，用字地址通过多路器MUX从一行的4个字中选择一个输出。如果TAG与A7～A0中的区号比较结果不一致或者VALID为0，说明不命中，即该单元不在Cache中，需要将主存该单元所在的块装入Cache。Cache Controller的WR信号有效时，在时钟CLK的作用下依次产生4个Cache字的写信号WR0～WR3，将读出的主存单元内容写入Cache。
主要设计代码见清单 1。
清单 1. cache组织
wire [2:0] field_TAG = AB[7:5];
wire [2:0] field_BLOCK = AB[4:2];
wire [1:0] field_WORD = AB[1:0];
wire [7:0] mm_addr;
//实例化主存储器
wire [3:0] mm_dout;
ram_with_init #(.ADDR_SIZE(8), .DATA_SIZE(4)) MM(.Q(mm_dout), .D(mm_din), .Addr(mm_addr), .WR(WR_MM), .Clk(clk));
//Cache控制器，产生主存地址和CACHE的字写入信号
wire WR0, WR1, WR2, WR3;
CacheController cc_inst (.Reset(reset), .Clk(clk), .iEnable(WR_CACHE), .iAddr(AB), .oAddr(mm_addr), .oWR({WR3,WR2,WR1,WR0}));
//实例化TAG存储器
wire [2:0] TAG;
wire WR_TAG = WR3;
ram #(.ADDR_SIZE(3),.DATA_SIZE(3)) TAG_inst(.Q(TAG), .DATA(field_TAG), .ADDR(___________), .WR(WR_TAG), .Clk(clk)); (1)
//VALID存储器
wire VALID;
wire [7:0] V_LED;
wire WR_VALID = WR3;
ram_valid VALID_inst(.VALID(VALID), .ADDR(____________), .RESET(reset), .WR(WR_VALID), .V_LED(V_LED)); (2)
//实例化CACHE存储器
wire [3:0] CACHE_WORD0,CACHE_WORD1,CACHE_WORD2,CACHE_WORD3;
ram #(.ADDR_SIZE(3),.DATA_SIZE(4)) DATA0(.Q(CACHE_WORD0),.DATA(mm_dout),.ADDR(field_BLOCK),.WR(WR0), .Clk(clk));
ram #(.ADDR_SIZE(3),.DATA_SIZE(4)) DATA1(.Q(___________),.DATA(_______),.ADDR(___________),.WR(WR1), .Clk(clk)); (3)
ram #(.ADDR_SIZE(3),.DATA_SIZE(4)) DATA2(.Q(___________),.DATA(_______),.ADDR(___________),.WR(WR2), .Clk(clk)); (4)
ram #(.ADDR_SIZE(3),.DATA_SIZE(4)) DATA3(.Q(___________),.DATA(_______),.ADDR(___________),.WR(WR3), .Clk(clk)); (5)
//实例化多路选择器模块
wire [3:0] CACHE_WORD;
MUX #(4) MUX_inst (.SEL(field_WORD), .A(CACHE_WORD0), .B(CACHE_WORD1), .C(CACHE_WORD2), .D(CACHE_WORD3), .MUX_OUT(CACHE_WORD));
//比较TAG存储器中读出的内容与当前地址寄存器AR中TAG字段的值是否相同，判断命中（HIT）
wire HIT;
assign HIT = VALID ? (_________ == ___) : 0 ; (6)预习要求
补充完成清单 1有数字标记处的代码。