Cache设计指导：Cache结构、状态机和对外接口

Cache设计指导 Cache结构是计算机体系结构中一个重要的组件，它可以大大提高计算机的性能。在本实验中，我们将学习 Cache 设计的基本原则和实现方法。 Cache 结构可以分为三部分：Cache 控制器、Cache 存储体和 Cache 标签数组。Cache 控制器负责处理 CPU 的读写请求，Cache 存储体用于存储数据，Cache 标签数组用于记录 Cache 中的数据状态。 Cache 的工作流程可以分为四个阶段：读命中、写命中、读缺失和写缺失。当 CPU 发出读写请求时，Cache 控制器首先检查是否命中，如果命中则直接从 Cache 中读写数据，如果缺失则需要从主存中换入缺失的 line 到 Cache 中。 Cache 的状态机可以用一个简单的图示来表示，如图 1 所示。在没有读写请求时，Cache 保持就绪状态，当 CPU 发出读写请求时，Cache 检查是否命中，如果命中则立刻响应读写请求，并仍保持就绪状态。如果缺失，则进行换入（换入之前可能需要先换出），在 Cache 进行换入换出时，Cache 无法响应 CPU 当前的读写请求，因此需要向 CPU 发出 miss=1 的信号，CPU 需要使用该信号控制所有流水段进行 stall。直到 Cache 完成换入换出后重回就绪状态，此时 Cache 就能响应这个读写请求。 Cache 对外接口与时序是 Cache 设计的重要部分。我们提供的简单 Cache 的对外接口如下：当读写命中时，时序与以往我们提供的 dataRam 完全一样，如图 2 所示；当读写缺失时，随着请求信号的出现，miss 信号同样变为 1，请求信号要一直保持 1，直到一个周期，miss 变为 0，请求信号仍为 1，就完成了一次读写。 Cache 的设计需要考虑到多个因素，包括 Cache 的大小、块大小、关联度、替换策略等。不同的设计选择会对 Cache 的性能产生不同的影响。在本实验中，我们使用的是简单直接映射的 Cache 结构，该结构简单易行，但在实际应用中，可能需要使用更加复杂的 Cache 结构来提高性能。 Cache 的设计还需要考虑到与 CPU 的接口问题，包括 Cache 的对外接口和时序问题。 Cache 的对外接口需要与 CPU 的接口相匹配，以确保 Cache 能够正确地响应 CPU 的读写请求。 Cache 的时序问题也需要受到关注，以确保 Cache 能够正确地处理读写请求。 Cache 设计是一个复杂的过程，需要考虑到多个因素，包括 Cache 的结构、大小、块大小、关联度、替换策略等，同时也需要考虑到与 CPU 的接口问题。通过本实验，我们可以学习到 Cache 设计的基本原则和实现方法，并且可以了解到 Cache 在计算机体系结构中的重要作用。