主存—Cache层次的存储器,以字编址(1字=4字节)。主存容量为4MB,Cache容量64KB,主存和Cache以相同大小分块(行),每块(行)大小512B。设计一个4路组相联映像(即Cache每组4个块)的Cache组织,问: 1)写出C

ache的数据结构定义；

struct CacheLine {
bool valid; // 有效位
bool dirty; // 脏位
uint32_t tag; // 标记位
uint8_t data[512]; // 数据
};

struct CacheSet {
CacheLine lines[4]; // 每组4个Cache行
};

struct Cache {
CacheSet sets[128]; // Cache共128组
};

// 每个Cache块大小为512B，即4个字
// Cache共64KB，即128个块，128组
// 每组4个块，即4路组相联映像
// 每个Cache行包括有效位、脏位、标记位和数据

2)写出访问主存地址为0x12345678的数据时，Cache的读取过程；

读取地址为0x12345678的数据时，首先计算出该地址所在的Cache块在Cache中的索引，即为set_index = (0x12345678 >> 6) & 0x7f，其中0x7f为十进制数127，表示二进制下7位全为1。然后计算出该地址所在Cache块的标记位，即为tag = 0x12345678 >> 13。接着在Cache的set_index组中查找是否有与tag相同的Cache行，若有则表示命中Cache，直接返回该Cache行中对应地址的数据；若没有则表示未命中Cache，需要从主存中读取该地址所在的块，并将其存入Cache中。由于是4路组相联映像，需要找到set_index组中一个无效的Cache行，将读取的数据存入其中，并将其标记为有效。若set_index组中没有无效的Cache行，则需要选择其中一个替换出去。由于是LRU策略，可以将最久未使用的Cache行替换出去，并将新读取的数据存入其中。最后将存储了数据的Cache行中对应地址的数据返回即可。

3)写出向主存地址为0x12345678写入数据时，Cache的写入过程。

向地址为0x12345678的数据写入数据时，先检查Cache中是否已有该地址的数据。如果有，需要将该Cache行中对应地址的数据修改为新数据，并将脏位设置为1，表示该Cache行中的数据已被修改过。如果没有，则需要先从主存中读取该地址所在的块，并将其存入Cache中。由于是4路组相联映像，需要找到set_index组中一个无效的Cache行，将读取的数据存入其中，并将其标记为有效。若set_index组中没有无效的Cache行，则需要选择其中一个替换出去。由于是LRU策略，可以将最久未使用的Cache行替换出去，并将新读取的数据存入其中。最后将存储了数据的Cache行中对应地址的数据修改为新数据，并将脏位设置为1，表示该Cache行中的数据已被修改过。最后再将修改过的Cache行中的数据写回主存即可。