生成代码

根据上面所述的步骤，以下是一个简单的实现写回策略的 Cache 的 Verilog 代码示例：

module Cache (
    input wire clk, // 时钟信号
    input wire reset, // 复位信号
    input wire [31:0] addr_in, // CPU 发出的地址
    input wire [31:0] data_in, // CPU 发出的数据
    input wire wr_en, // 写使能信号
    output wire [31:0] data_out // 从 Cache 中读出的数据
);

// Cache 参数定义
parameter CACHE_SIZE = 1024; // Cache 大小为 1KB
parameter BLOCK_SIZE = 16; // 块大小为 16B
parameter ASSOC = 2; // 组相联度为 2

// 计算 Cache 的索引位数、块偏移位数和标记位数
localparam INDEX_BITS = $clog2(CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC);
localparam OFFSET_BITS = $clog2(BLOCK_SIZE);
localparam TAG_BITS = 32 - INDEX_BITS - OFFSET_BITS;

// 定义 Cache 的数据结构
reg [TAG_BITS-1:0] tag [CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC - 1:0];
reg [BLOCK_SIZE-1:0] data [CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC - 1:0];
reg [ASSOC-1:0] valid [CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC - 1:0];
reg [ASSOC-1:0] dirty [CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC - 1:0];
reg [ASSOC-1:0] lru [CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC - 1:0];

// 定义局部变量
reg [TAG_BITS-1:0] tag_in;
reg [INDEX_BITS-1:0] index_in;
reg [OFFSET_BITS-1:0] offset_in;
reg [BLOCK_SIZE-1:0] data_out_reg;
reg hit;
reg [ASSOC-1:0] lru_in;

// 计算地址的索引位、块偏移位和标记位
assign tag_in = addr_in[31:32-TAG_BITS:0];
assign index_in = addr_in[32-TAG_BITS-1:32-TAG_BITS-INDEX_BITS];
assign offset_in = addr_in[31:32-TAG_BITS-INDEX_BITS-BLOCK_SIZE];

// 读操作
always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin // 复位信号
        hit <= 0;
        lru_in <= {ASSOC{1'b0}};
    end else if (wr_en) begin // 写操作，不进行读操作
        hit <= 0;
        lru_in <= {ASSOC{1'b0}};
    end else begin // 读操作
        hit <= 0;
        for (int i = 0; i < ASSOC; i = i + 1) begin
            if (valid[index_in][i] && tag[index_in][i] == tag_in) begin
                data_out_reg <= data[index_in][i];
                hit <= 1;
                lru_in[i] <= 1'b1;
            end else begin
                lru_in[i] <= lru[index_in][i];
            end
        end
    end
end

// 写操作
always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin // 复位信号
        for (int i = 0; i < CACHE_SIZE / BLOCK_SIZE / ASSOC; i = i + 1) begin
            valid[i] <= {ASSOC{1'b0}};
            dirty[i] <= {ASSOC{1'b0}};
            lru[i] <= {ASSOC{1'b0}};
        end
    end else if (wr_en) begin // 写操作
        if (hit) begin // 命中，写入 Cache
            data[index_in][lru_in] <= data_in;
            dirty[index_in][lru_in] <= 1'b1;
        end else begin // 不命中，进行替换
            for (int i = 0; i < ASSOC; i = i + 1) begin
                if (!valid[index_in][i]) begin // 找到空闲位置
                    tag[index_in][i] <= tag_in;
                    data[index_in][i] <= data_in;
                    valid[index_in][i] <= 1'b1;
                    dirty[index_in][i] <= 1'b1;
                    lru[index_in][i] <= 1'b1;
                    break;
                end else if (lru_in[i]) begin // 找到要替换的位置
                    if (dirty[index_in][i]) begin // 需要写回到主存
                        // 写回操作
                    end
                    tag[index_in][i] <= tag_in;
                    data[index_in][i] <= data_in;
                    valid[index_in][i] <= 1'b1;
                    dirty[index_in][i] <= 1'b1;
                    lru[index_in][i] <= 1'b1;
                    break;
                end
            end
        end
    end
end

// 输出数据
assign data_out = hit ? data_out_reg : 32'b0;

endmodule

这个代码实现了一个简单的、大小为 1KB、组相联度为 2、块大小为 16B 的 Cache，使用 LRU 替换策略和写回策略。具体实现方式可以根据需要进行调整和修改。