实验3 直接相联Cache设计1

计算机组成原理实验指导书中的“实验3 直接相联Cache设计”着重讲解了Cache的基础知识，特别是直接相联Cache的结构、设计方法以及其实现。以下是对实验内容的详细阐述： 1. **直接相联Cache的基本结构**： - **存储体**：Cache由存储体和控制机构两大部分构成。存储体包括有效位（Valid）、标记（Tag）和数据域（Data）。 - **有效位**：指示Cache中的数据是否有效。在没有加载数据前，有效位为无效状态。 - **标记**：用于唯一标识主存中的地址，与CPU请求的地址进行比较，以确定是否发生了命中。 - **数据域**：存储连续的k个主存字，通常情况下，每个Cache块包含4个字。 2. **地址映射机制**： - **直接相联映射**：在本实验中，低2位作为字块内的偏移，中间10位作为Cache的字块地址，高20位作为Tag。这样的设计意味着Cache有1024个字块（2^10），每个块有4个字（2^2），主存地址宽度为18位（2^20字节的主存）。 3. **地址分解**： - 地址被分解为Tag、Cache索引和字节偏移。当CPU发起读操作时，会先通过Tag与Cache中的标记位比较，如果匹配，表示发生命中；如果不匹配，则为缺失。 4. **实验内容**： - 设计一个8KB主存容量的系统，并构建一个512B的直接相联Cache，每块4个字节，共128个Cache块。 - 需要实现的功能：CPU读操作后，处理读命中和读缺失两种情况。读命中意味着数据可以直接从Cache中获取，而读缺失则需要从主存中加载数据到Cache并返回。 5. **实验步骤**： - 实验前的准备工作可能包括理解Cache的工作原理，熟悉地址映射，以及学习如何使用IP核（ Intellectual Property core）进行硬件描述。 - 实验步骤可能涉及逻辑设计、仿真验证、功能测试等，确保Cache能正确响应CPU的读请求，正确执行命中和缺失的处理。 6. **附录**： - IP核的使用步骤：这部分可能详细介绍了如何在硬件设计流程中引入和配置特定的IP模块。 - Driver模块设计说明：解释了控制机构的驱动模块如何控制Cache的操作，如读写信号的生成、命中/缺失的判断等。 这个实验旨在帮助学生掌握直接相联Cache的设计与实现，通过实际操作加深对Cache工作原理的理解，增强硬件描述语言（如Verilog或VHDL）的应用能力。