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Commit 2387eb71 authored by jinbao chen's avatar jinbao chen
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finish fifo

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lab3/CacheSrcCode/cache_FIFO.sv 0 → 100644
View file @ 2387eb71
module cache #(
parameter LINE_ADDR_LEN = 3, // line内地址长度，决定了每个line具有2^3个word
parameter SET_ADDR_LEN = 3, // 组地址长度，决定了一共有2^3=8组
parameter TAG_ADDR_LEN = 6, // tag长度
parameter WAY_CNT = 3 // 组相连度，决定了每组中有多少路line，这里是直接映射型cache，因此该参数没用到
)(
input clk, rst,
output miss, // 对CPU发出的miss信号
input [31:0] addr, // 读写请求地址
input rd_req, // 读请求信号
output reg [31:0] rd_data, // 读出的数据，一次读一个word
input wr_req, // 写请求信号
input [31:0] wr_data // 要写入的数据，一次写一个word
);
localparam MEM_ADDR_LEN = TAG_ADDR_LEN + SET_ADDR_LEN ; // 计算主存地址长度 MEM_ADDR_LEN，主存大小=2^MEM_ADDR_LEN个line
localparam UNUSED_ADDR_LEN = 32 - TAG_ADDR_LEN - SET_ADDR_LEN - LINE_ADDR_LEN - 2 ; // 计算未使用的地址的长度
localparam LINE_SIZE = 1 << LINE_ADDR_LEN ; // 计算 line 中 word 的数量，即 2^LINE_ADDR_LEN 个word 每 line
localparam SET_SIZE = 1 << SET_ADDR_LEN ; // 计算一共有多少组，即 2^SET_ADDR_LEN 个组
reg [ 31:0] cache_mem [SET_SIZE][WAY_CNT][LINE_SIZE]; // SET_SIZE个line，每个line有LINE_SIZE个word
reg [TAG_ADDR_LEN-1:0] cache_tags [SET_SIZE][WAY_CNT]; // SET_SIZE个TAG
reg valid [SET_SIZE][WAY_CNT]; // SET_SIZE个valid(有效位)
reg dirty [SET_SIZE][WAY_CNT]; // SET_SIZE个dirty(脏位)
reg [ WAY_CNT:0] cache_fifo [SET_SIZE];
reg [ WAY_CNT:0] way_length [SET_SIZE];
wire [ 2-1:0] word_addr; // 将输入地址addr拆分成这5个部分
wire [ LINE_ADDR_LEN-1:0] line_addr;
wire [ SET_ADDR_LEN-1:0] set_addr;
wire [ TAG_ADDR_LEN-1:0] tag_addr;
wire [UNUSED_ADDR_LEN-1:0] unused_addr;
wire [ WAY_CNT:0] fifo_pos;
wire [ WAY_CNT:0] queue_len;
enum {IDLE, SWAP_OUT, SWAP_IN, SWAP_IN_OK} cache_stat; // cache 状态机的状态定义
// IDLE代表就绪，SWAP_OUT代表正在换出，SWAP_IN代表正在换入，SWAP_IN_OK代表换入后进行一周期的写入cache操作。
reg [ SET_ADDR_LEN-1:0] mem_rd_set_addr = 0;
reg [ TAG_ADDR_LEN-1:0] mem_rd_tag_addr = 0;
wire [ MEM_ADDR_LEN-1:0] mem_rd_addr = {mem_rd_tag_addr, mem_rd_set_addr};
reg [ MEM_ADDR_LEN-1:0] mem_wr_addr = 0;
reg [ WAY_CNT:0] mem_fifo_pos = 0;
reg [ WAY_CNT:0] mem_fifo_len = 0;
reg [31:0] mem_wr_line [LINE_SIZE];
wire [31:0] mem_rd_line [LINE_SIZE];
wire mem_gnt; // 主存响应读写的握手信号
assign {unused_addr, tag_addr, set_addr, line_addr, word_addr} = addr; // 拆分 32bit ADDR
assign fifo_pos = cache_fifo[set_addr];//queue header
assign queue_len = way_length[set_addr];//length of the fifo queue
reg cache_hit = 1'b0;
reg [WAY_CNT:0] asso_pos = 0; //hit pos in set
always @ (*) begin // 判断 输入的address 是否在 cache 中命中
for(integer i = 0;i < WAY_CNT;i++) begin
if(valid[set_addr][i] && cache_tags[set_addr][i] == tag_addr) begin
cache_hit = 1'b1;
asso_pos = i;
break;
end
else begin
cache_hit = 1'b0;
end
end
end
always @ (posedge clk or posedge rst) begin // ?? cache ???
if(rst) begin
cache_stat <= IDLE;
for(integer i = 0; i < SET_SIZE; i++) begin
for(integer j = 0;j < WAY_CNT; j++) begin
dirty[i][j] <= 1'b0;
valid[i][j] <= 1'b0;
end
cache_fifo[i] <= 0;
way_length[i] <= 0;
end
for(integer k = 0; k < LINE_SIZE; k++)
mem_wr_line[k] <= 0;
mem_wr_addr <= 0;
{mem_rd_tag_addr, mem_rd_set_addr} <= 0;
rd_data <= 0;
mem_fifo_pos <= 0;
mem_fifo_len <= 0;
end else begin
case(cache_stat)
IDLE: begin
if(cache_hit) begin
if(rd_req) begin // 如果cache命中，并且是读请求，
rd_data <= cache_mem[set_addr][asso_pos][line_addr]; //则直接从cache中取出要读的数据
end else if(wr_req) begin // 如果cache命中，并且是写请求，
cache_mem[set_addr][asso_pos][line_addr] <= wr_data; // 则直接向cache中写入数据
dirty[set_addr][asso_pos] <= 1'b1; // 写数据的同时置脏位
end
end else begin
if(wr_req | rd_req) begin // 如果 cache 未命中，并且有读写请求，则需要进行换入
if(valid[set_addr][fifo_pos] && dirty[set_addr][fifo_pos] && queue_len!=0) begin // 如果 要换入的cache line 本来有效，且脏，则需要先将它换出
cache_stat <= SWAP_OUT;
mem_wr_addr <= {cache_tags[set_addr][fifo_pos], set_addr};
mem_wr_line <= cache_mem[set_addr][fifo_pos];
end else begin // 反之，不需要换出，直接换入
cache_stat <= SWAP_IN;
end
{mem_rd_tag_addr, mem_rd_set_addr} <= {tag_addr, set_addr};
mem_fifo_pos <= fifo_pos;
mem_fifo_len <= queue_len;
end
end
end
SWAP_OUT: begin
if(mem_gnt) begin // 如果主存握手信号有效，说明换出成功，跳到下一状态
cache_stat <= SWAP_IN;
end
end
SWAP_IN: begin
if(mem_gnt) begin // 如果主存握手信号有效，说明换入成功，跳到下一状态
cache_stat <= SWAP_IN_OK;
end
end
SWAP_IN_OK: begin // 上一个周期换入成功，这周期将主存读出的line写入cache，并更新tag，置高valid，置低dirty
if(mem_fifo_len < WAY_CNT) begin
for(integer i=0; i<LINE_SIZE; i++) cache_mem[mem_rd_set_addr][(mem_fifo_pos+1)%WAY_CNT][i] <= mem_rd_line[i];
way_length[mem_rd_set_addr] <= mem_fifo_len + 1;
end
else begin
for(integer i=0; i<LINE_SIZE; i++) cache_mem[mem_rd_set_addr][mem_fifo_pos][i] <= mem_rd_line[i];
cache_fifo[mem_rd_set_addr] <= (mem_fifo_pos+1)%WAY_CNT;
end
cache_tags[mem_rd_set_addr][mem_fifo_pos] <= mem_rd_tag_addr;
valid [mem_rd_set_addr][mem_fifo_pos] <= 1'b1;
dirty [mem_rd_set_addr][mem_fifo_pos] <= 1'b0;
cache_stat <= IDLE; // 回到就绪状态
end
endcase
end
end
wire mem_rd_req = (cache_stat == SWAP_IN );
wire mem_wr_req = (cache_stat == SWAP_OUT);
wire [ MEM_ADDR_LEN-1 :0] mem_addr = mem_rd_req ? mem_rd_addr : ( mem_wr_req ? mem_wr_addr : 0);
assign miss = (rd_req | wr_req) & ~(cache_hit && cache_stat==IDLE) ; // 当 有读写请求时，如果cache不处于就绪(IDLE)状态，或者未命中，则miss=1
main_mem #( // 主存，每次读写以line 为单位
.LINE_ADDR_LEN ( LINE_ADDR_LEN ),
.ADDR_LEN ( MEM_ADDR_LEN )
) main_mem_instance (
.clk ( clk ),
.rst ( rst ),
.gnt ( mem_gnt ),
.addr ( mem_addr ),
.rd_req ( mem_rd_req ),
.rd_line ( mem_rd_line ),
.wr_req ( mem_wr_req ),
.wr_line ( mem_wr_line )
);
endmodule
lab3/CacheSrcCode/cache_tb.sv
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