王轩的Cache设计教程:写回策略与接口时序解析

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"该资源是关于‘Lab3-王轩-cache编写指导1’的教程,主要探讨了Cache的设计原理和实现细节,特别是采用‘写回+写入分派’策略的Cache。文中提到了《计算机体系结构:量化研究方法》(中文第五版)中的相关内容作为理论基础,并详细阐述了Cache的状态机、对外接口和时序要求。" 在计算机系统中,Cache起着至关重要的作用,它是提高处理器访问数据速度的关键组件。在这个Lab3的指导下,我们关注的是采用"写回+写入分派"策略的Cache设计。这种策略意味着在读取或写入操作命中Cache时,可以直接在Cache内部完成,无需等待,显著减少了延迟。然而,如果发生缺失,不论是读缺失还是写缺失,都需要从主存中加载数据到Cache,这可能会导致CPU流水线暂停,等待Cache完成操作。 Cache的状态机是其核心组成部分,如图1所示,它描述了Cache在不同操作下的状态转换。在就绪状态下,Cache可以立即响应CPU请求。如果请求命中Cache,Cache继续保持就绪状态。如果请求未命中,Cache会进入缺失状态,执行换入操作,可能需要先进行换出(如果被换入的块是脏的)。在此过程中,Cache会向CPU发送miss=1的信号,通知CPU暂停流水线,直到Cache完成操作并返回就绪状态。 对于Cache的外部接口和时序,我们需要确保与CPU的交互符合特定的规则。例如,读/写命中时,时序与dataRam类似,如图2所示。而读/写缺失时,miss信号会变成1,请求信号需要保持一段时间,直到miss信号回到0,请求信号仍然为1,表示一次读/写操作完成。addr和wr_data在请求信号为1期间也需保持不变,如图3(写缺失时序)和图4(读缺失时序)所示。这种握手信号的时序在总线通信中非常常见。 值得注意的是,教程中提到的缺失时钟周期仅为3个,这是为了简化示例,实际实验中可能需要根据具体设计和性能需求调整。 这个指导旨在帮助理解并实现一个简单的直接映射Cache,包括其内部状态管理、与CPU的交互以及满足正确时序的必要性。通过这个Lab,学生将深入理解Cache的工作原理及其对整个计算机系统性能的影响。