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。