根据给定的文件信息，本篇内容主要围绕2017年计算机组成原理中的一个自主实验项目——Cache的实现报告。下面将详细解读并总结该报告中的关键知识点。
### 实验背景
计算机组成原理是一门关于计算机硬件系统设计的基础课程。Cache作为现代计算机体系结构中的一个重要组成部分，其作用在于缓解CPU与主存之间的速度不匹配问题，从而提高计算机系统的整体性能。本次实验旨在通过设计并实现Cache的基本功能，加深学生对Cache工作原理的理解。
### 实验要求
实验要求基于2114存储芯片的设计，在此基础上实现Cache的基本功能。具体来说，需要按照教科书第112页的图4.50来实现Cache的基本结构。在实现过程中，允许学生自行决定Cache的地址映射方式和替换策略。
### 实验原理
#### Cache基本结构
- **容量**：Cache总容量为4×64，即4个缓存块，每个块大小为64。
- **主存**：主存容量为64×64。
- **映射方式**：采用全相联映射，即主存中的任何一页都可以放置到Cache中的任意位置。
- **替换策略**：采用滚动替换策略，当Cache满时，新数据将替换掉最后一个块，而原有的块依次向前移动。
### 实验设计
为了实现上述要求，实验采用了以下设计方案：
- **数据组织**：Cache中的数据使用数组形式进行存储。
- **数据线控制**：通过两条数据线来控制Cache块地址，四条数据线作为标记位，另外四条数据线用于控制块内的地址。
- **读写控制**：通过设置片选信号(cs)和写使能信号(we)来控制读写操作。写操作时采用写直达策略，即同时更新Cache和主存中的数据。
- **替换机制**：当Cache满时，采用滚动替换策略来替换数据。
### 设计步骤
1. **实现2114存储芯片**：这是实验的基础，后续的Cache实现将在这一基础上进行。
2. **添加Cache功能**：基于2114的实现，增加Cache的相关逻辑。
3. **初始化Cache和主存**：确保Cache和主存处于初始状态，以便进行后续的操作。
4. **处理读写操作**：
- **写操作**：当Cache未满时，直接将数据写入Cache和主存；当Cache已满时，使用滚动替换策略替换Cache中的最后一个块。
- **读操作**：检查所需数据是否存在于Cache中。如果存在，则直接从Cache读取；如果不存在，则从主存中读取数据，并将其放入Cache的最后一个位置。
### VHDL代码实现
实验还提供了部分VHDL代码示例，用于实现上述功能。VHDL是一种硬件描述语言，广泛应用于数字电路的设计与验证。代码中定义了多个信号和类型，如`Kmemory`表示主存，`cache`表示Cache的记录等，以及相应的进程来控制读写操作。
本次实验不仅涵盖了Cache的基本理论知识，而且还深入到了具体的实现细节和技术要点，对于理解Cache的工作原理及其实现过程具有重要的参考价值。
