实现写回策略的 Cache

写回策略是一种缓存写入方式，即在数据被修改后，不会立即写入主存，而是等到该数据被替换出缓存时，再将其写回主存。这种策略可以减少对主存的写入次数，提高缓存的性能。

实现写回策略的 Cache 可以分为以下几个步骤：

1. 添加一个 dirty bit，记录缓存行是否被修改过。
2. 当 CPU 写入一个缓存行时，将该缓存行标记为 dirty。
3. 当 CPU 需要读取一个缓存行时，先检查该缓存行是否被标记为 dirty，如果是，则将该缓存行的数据写回主存，并清除 dirty 标记。
4. 当 Cache 替换一个被标记为 dirty 的缓存行时，将该缓存行的数据写回主存，并清除 dirty 标记。

需要注意的是，写回策略会带来一定的延迟，因为在数据写入主存之前，该数据可能会被其他 CPU 访问到。为了解决这个问题，一般会采用一些技术，如写缓冲区等。

相关问题

用verilog实现写回策略的 Cache

下面是一个简单的写回策略的Cache的Verilog实现：

module cache(
    input clk,
    input rst,
    input [31:0] addr,
    input [31:0] data_in,
    input write_en,
    output reg [31:0] data_out
);

parameter CACHE_SIZE = 1024; // Cache大小
parameter BLOCK_SIZE = 32; // 块大小
parameter TAG_WIDTH = 16; // 标记位宽度
parameter INDEX_WIDTH = 6; // 索引位宽度
parameter OFFSET_WIDTH = 5; // 偏移量位宽度

reg [CACHE_SIZE/BLOCK_SIZE-1:0] valid; // 有效位数组
reg [CACHE_SIZE/BLOCK_SIZE-1:0] tag; // 标记位数组
reg [CACHE_SIZE/BLOCK_SIZE-1:0] data [BLOCK_SIZE/4-1:0][CACHE_SIZE/BLOCK_SIZE-1:0]; // 数据组织方式为组相联，每个块4个字

reg [INDEX_WIDTH-1:0] index; // 索引变量
reg [OFFSET_WIDTH-1:0] offset; // 偏移量变量
wire [31:0] block_addr; // 块地址变量
wire [31:0] tag_addr; // 标记地址变量

assign index = addr[INDEX_WIDTH+OFFSET_WIDTH-1:OFFSET_WIDTH];
assign offset = addr[OFFSET_WIDTH-1:0];
assign block_addr = {addr[31:OFFSET_WIDTH],{OFFSET_WIDTH{1'b0}}};
assign tag_addr = {addr[31:TAG_WIDTH],{TAG_WIDTH{1'b0}}};

always @(posedge clk or negedge rst) begin
    if(!rst) begin
        valid <= 0;
        tag <= 0;
        data <= 0;
        data_out <= 0;
    end
    else if(write_en) begin
        // 写操作
        if(valid[index] && tag[index] == tag_addr) begin
            // 命中
            data[offset/4][index] <= data_in;
        end
        else begin
            // 不命中
            if(valid[index]) begin
                // 踢出数据
                // 如果是写回策略，则将块写回到主存
                if(tag[index] != tag_addr) begin
                    // 写回操作
                    // 这里假设有一个主存模块，对于写回请求，将数据写回到主存
                    memory_write(tag[index]*BLOCK_SIZE, data[0][index]);
                end
            end
            // 读取新数据
            data_out <= memory_read(block_addr);
            // 更新Cache
            valid[index] <= 1'b1;
            tag[index] <= tag_addr;
            data[0][index] <= data_out;
        end
    end
    else begin
        // 读操作
        if(valid[index] && tag[index] == tag_addr) begin
            // 命中
            data_out <= data[offset/4][index];
        end
        else begin
            // 不命中
            if(valid[index]) begin
                // 踢出数据
                // 如果是写回策略，则将块写回到主存
                if(tag[index] != tag_addr) begin
                    // 写回操作
                    // 这里假设有一个主存模块，对于写回请求，将数据写回到主存
                    memory_write(tag[index]*BLOCK_SIZE, data[0][index]);
                end
            end
            // 读取新数据
            data_out <= memory_read(block_addr);
            // 更新Cache
            valid[index] <= 1'b1;
            tag[index] <= tag_addr;
            data[0][index] <= data_out;
        end
    end
end

endmodule

这个Cache采用组相联的方式进行数据存储，每个块有4个字，总共有1024个块，所以Cache大小为32KB。标记位16位，索引位6位，偏移量位5位。

在写操作时，如果命中，则将数据写入Cache；如果不命中，则根据写回策略将块写回到主存，并读取新的块数据更新Cache。

在读操作时，如果命中，则从Cache中读取数据；如果不命中，则根据写回策略将块写回到主存，并读取新的块数据更新Cache。

代码生成（实现写回策略的 Cache）

下面是一个简单的 C++ 代码实现，用于说明实现写回策略的 Cache 的基本思路：

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

const int CACHE_SIZE = 4; // 缓存大小
const int BLOCK_SIZE = 4; // 缓存块大小
const int MEM_SIZE = 16; // 内存大小

class Cache {
public:
    Cache() {
        for (int i = 0; i < CACHE_SIZE; i++) {
            valid[i] = false;
            dirty[i] = false;
        }
    }

    int read(int address) {
        int blockNumber = address / BLOCK_SIZE;
        int blockOffset = address % BLOCK_SIZE;
        int cacheIndex = findCacheBlock(blockNumber);
        if (cacheIndex == -1) {
            cacheIndex = allocateCacheBlock(blockNumber);
        }
        return cache[cacheIndex][blockOffset];
    }

    void write(int address, int value) {
        int blockNumber = address / BLOCK_SIZE;
        int blockOffset = address % BLOCK_SIZE;
        int cacheIndex = findCacheBlock(blockNumber);
        if (cacheIndex == -1) {
            cacheIndex = allocateCacheBlock(blockNumber);
        }
        dirty[cacheIndex] = true;
        cache[cacheIndex][blockOffset] = value;
    }

    void flush() {
        for (int i = 0; i < CACHE_SIZE; i++) {
            if (valid[i] && dirty[i]) {
                int blockNumber = tag[i];
                for (int j = 0; j < BLOCK_SIZE; j++) {
                    int address = blockNumber * BLOCK_SIZE + j;
                    memory[address] = cache[i][j];
                }
            }
            valid[i] = false;
            dirty[i] = false;
        }
    }

private:
    int tag[CACHE_SIZE];
    bool valid[CACHE_SIZE];
    bool dirty[CACHE_SIZE];
    int cache[CACHE_SIZE][BLOCK_SIZE];
    int memory[MEM_SIZE];

    int findCacheBlock(int blockNumber) {
        for (int i = 0; i < CACHE_SIZE; i++) {
            if (valid[i] && tag[i] == blockNumber) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }

    int allocateCacheBlock(int blockNumber) {
        int cacheIndex = evictCacheBlock();
        if (valid[cacheIndex] && dirty[cacheIndex]) {
            writeBack(cacheIndex);
        }
        valid[cacheIndex] = true;
        tag[cacheIndex] = blockNumber;
        for (int i = 0; i < BLOCK_SIZE; i++) {
            int address = blockNumber * BLOCK_SIZE + i;
            cache[cacheIndex][i] = memory[address];
        }
        return cacheIndex;
    }

    int evictCacheBlock() {
        for (int i = 0; i < CACHE_SIZE; i++) {
            if (!valid[i]) {
                return i;
            }
        }
        return 0;
    }

    void writeBack(int cacheIndex) {
        int blockNumber = tag[cacheIndex];
        for (int i = 0; i < BLOCK_SIZE; i++) {
            int address = blockNumber * BLOCK_SIZE + i;
            memory[address] = cache[cacheIndex][i];
        }
    }
};

int main() {
    Cache cache;
    cache.write(0, 10);
    cache.write(1, 20);
    cache.write(2, 30);
    cache.write(3, 40);
    cout << cache.read(0) << endl; // 10
    cout << cache.read(1) << endl; // 20
    cache.write(1, 25);
    cache.flush();
    cout << cache.read(1) << endl; // 25
    return 0;
}

在这个例子中，我们实现了一个 4 个缓存块大小的 Cache，每个缓存块大小为 4 字节。当 CPU 需要读取或写入一个地址时，Cache 会根据地址的块号和块内偏移量找到相应的缓存块，如果该缓存块已经在 Cache 中，则直接读取或写入缓存；否则，Cache 会将该缓存块从主存中读入到 Cache 中，并将该缓存块标记为有效的。在写入缓存时，Cache 会将该缓存块标记为脏块，表示该缓存块已被修改过，需要在替换该缓存块时将其写回主存。在写回所有脏块时，Cache 会检查每个脏块是否在 Cache 中，并将其写回主存。