王轩的Cache设计教程：写回策略与接口时序解析

"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。