计算机组成原理实验2.2_实验报告.doc

学生实验报告 学 院：软 件 学 院 专 业：软 件 工 程 年 级：2010级 学 号： 学 生 姓 名： 同组学生姓名： 实验课程名称：计 算 机 组 成 原 理 实 验 实 验 名 称：Cache 控制器设计实验 指 导 教 师： 实 验 时 间： 实 验 地 点： 2012年 月 日 实验目的与要求 (1) 掌握Cache 控制器的原理及其设计方法。 (2) 熟悉CPLD 应用设计及EDA 软件的使用。 实验设备 PC 机一台，TD-CM3+或TD-CMX 实验系统一套。 实验原理 本实验采用的地址变换是直接映象方式，这种变换方式简单而直接，硬件实 现很简单，访问速度也比较快，但是块的冲突率比较高。其主要原则是：主存中一块只能映象到Cache 的一个特定的块中。 假设主存的块号为B，Cache 的块号为b，则它们之间的映象关系可以表示 为：b = B mod Cb 其中，Cb 是Cache 的块容量。设主存的块容量为Mb，区容量为Me，则直接 映象方法的关系如图2-2-1 所示。把主存按Cache 的大小分成区，一般主存容量为Cache 容量的整数倍，主存每一个分区内的块数与Cache 的总块数相等。直接映象方式只能把主存各个区中相对块号相同的那些块映象到Cache 中同一块号的那个特定块中。例如，主存的块0 只能映象到Cache 的块0 中，主存的块1 只能映象到Cache 的块1 中，同样，主存区1 中的块Cb（在区1 中的相对块号是0） 也只能映象到 Cache 的块0 中。根据上面给出的地址映象规则，整个Cache 地址与主存地址的低位部分是完全相同的。 直接映象方式的地址变换过程如图2-2-2 所示，主存地址中的块号B 与Cache 地址中的块号b 是完全相同的。同样，主存地址中的块内地址W 与Cache 地址中的块内地址w 也是完全相同的，主存地址比Cache 地址长出来的部分称为区号E。 在程序执行过程中，当要访问 Cache 时，为了实现主存块号到Cache 块号的变换，需要有一个存放主存区号的小容量存储器，这个存储器的容量与Cache 的块数相等，字长为主存地址中区号E 的长度，另外再加一个有效位。 在主存地址到Cache 地址的变换过程中，首先用主存地址中的块号去访问区号存储器（按地址访问）。把读出来的区号与主存地址中的区号E 进行比较，根据比较结果和与区号在同一存储字中的有效位情况作出处理。如果区号比较结果相等，有效位为‘1’，则Cache 命中，表示要访问的那一块已经装入到Cache 中了，这时Cache 地址（与主存地址的低位部分完全相同）是正确的。用这个Cache 地址去访问Cache，把读出来的数据送往CPU。其他情况均为Cache没有命中，或称为Cache 失效，表示要访问的那个块还没有装入到Cache 中，这时，要用主存地址去访问主存储器，先把该地址所在的块读到Cache 中，然后CPU 从Cache 中读取该地址中的数据。 本实验要在CPLD 中实现Cache 及其地址变换逻辑（也叫Cache 控制器），采用直接相联地址变换，只考虑CPU 从Cache 读数据，不考虑CPU 从主存中读数据和写回数据的情况，Cache和CPU 以及存储器的关系如图2-2-3 所示。 Cache 控制器顶层模块如图2-2-4 所示，主存地址为A7…A0,共8 位，区号E 取3 位，这样Cache 地址还剩5 位，所以Cache 容量为32 个单元，块号B 取3 位，那么Cache 分为8 块，块内地址W 取2 位，则每块为4 个单元。图2-2-4 中，WCT 为写Cache 块表信号，CLR 为系统总清零信号，A7…A0 为CPU 访问内存的地址，M 为Cache 失效信号，CA4…CA0 为Cache 地址， MD7…MD0 为主存送Cache 的数据，D7…D0 为Cache 送CPU 数据