深入学习CPU Cache设计与实现
"A14_CPU Cache支持1" 在本次实验中,主要目标是理解和掌握CPU缓存(Cache)的工作原理及其设计,特别是在MIPS架构下的实现。实验分为三个阶段,涉及一级指令缓存(ICache)和数据缓存(DCache)的添加,以及相关控制寄存器和专用指令的实现。 首先,实验目的在于深化对Cache结构的理解,包括其内部组织方式以及工作机制。实验设备主要包括装有Xilinx Vivado和MIPS交叉编译环境的计算机,以及龙芯体系结构教学实验箱,基于Artix-7 FPGA平台。 实验的第一阶段是添加ICache,设计为2路组相连,每路容量4KB,采用LRU(Least Recently Used)或伪随机替换策略,并进行硬件初始化。这一阶段旨在实践Cache的基本设计和功能实现。 第二阶段,实验任务是添加DCache,同样为2路组相连,每路4KB,采用相同的替换策略,但需增加写回(Write-Back)和写分配(Write-Allocation)功能。这使得数据缓存能够处理读写操作,确保数据一致性。 第三阶段则更进一步,需要在CPU中增加两个CP0寄存器(Config和Config1),以根据Config.k0设置Kseg0区域的Cache属性。此外,还需添加一系列专用的Cache指令,用于管理ICache和DCache的操作,如清空、更新标签和处理命中事件。 实验说明中强调了Cache性能的重要性。理想的Cache应能提供连续命中的流水线操作,即连续命中时无中断地返回数据。当Cache命中时,CPU内部应能完全处理延迟,使单发射CPU在没有数据相关问题时达到IPC(Instructions Per Cycle,每周期指令数)为1的理想状态。优化方面,Cache未命中时,可以考虑使用关键字优先返回策略,以加速数据检索。 整个实验不仅要求理论知识的掌握,还强调实践操作和性能优化,通过实际动手设计和调试,加深对CPU Cache工作原理和设计技巧的理解。通过这三个阶段的实验,参与者将全面了解并掌握Cache在MIPS处理器中的核心功能及其对系统性能的影响。
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