Cache based on FreeARM7

描述

　　本科二年级《计算机组成原理》上完成的一个课程项目，使用的开发环境是 Xilinx ISE 12.3 。基于 FreeARM7 开源项目提供的ARM内核构建32位处理器。通过ISE软件进行I-Cache和D-Cache的设计、实现、软件仿真与调试。并采用不同的 Cache映射规则、 Cache替换策略、 D-Cache写策略进行优化。
　　本仓库仅用作代码保存与共享目的，想要了解本项目更多细节可以通过上述实验报告[PDF]获取。

目录介绍

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├── arm_clear		基于FreeARM7内核搭建的处理器(无Cache)ISE工程完整源代码  
├── arm_clear_cache		基于FreeARM7内核搭建的处理器(加入简单I-Cache)ISE工程完整源代码
├── Cache_v0 ………………………………………………………………………… 未进行优化的实现
|   ├── D_Cache.v ……………………………………………………… D_Cache 模块.v 文件
|   ├── dram_ctrl_sim.v ………………………………………………… dram controller 模块.v 文件
|   ├── I_Cache.v ………………………………………………………… I_Cache 模块.v 文件
|   ├── stimulus.v ………………………………………………………… 仿真测试文件
├── Cache_v1 ……………………………………………………………………… 进行优化的实现
|   ├── D_Cache.v ……………………………………………………… D_Cache 模块.v 文件
|   ├── dram_ctrl_sim.v ………………………………………………… dram controller 模块.v 文件
|   ├── I_Cache.v ………………………………………………………… I_Cache 模块.v 文件
|   ├── stimulus.v ………………………………………………………… 仿真测试文件
├── Test ……………………………………………………………………… 用于测试的测试用例
|   ├── cache_test_512 …………………………………………………… 512 个随机数生成与排序(包括.c/.s/.mif文件)
|   ├── cache_test_8096 ………………………………………………… 长度 8096 的数组简单赋值(包括.c/.s/.mif文件)
|   ├── cache_test_high …………………………………………………… 8096 个随机数生成与排序(包括.c/.s/.mif文件) 
├── 【SoCVista】FreeARM7_文档.pdf		FreeARM7开源项目说明文档
└── 12353022_陈胜杰_Cache.pdf		详细的试验实验报告

内容

FreeARM7系统结构

编译器工作流程简图

代码流图

Cache映射规则

• 直接映射规则，即对于内存中的任何一个数据，在 Cache 中有且只有一个块与之对应。实现中即是，对于一个内存地址，只对应于一个 Cache 索引。

• 全相联，对于内存中的一个地址，对应于 Cache 中的任何一个位置，类似于将内存中的数据直接搬入 Cache，而 Cache 作为一个中转站。

• 组相联映射，结合了上述两种映射规则，一个内存地址索引到 Cache 的一个组，这里是直接映射；而具体到一个组的哪一个块则采用全相联的方式。

• 直接映射规则能够高效进行内存与 Cache 间数据的转移以及地址的转换， 而全相联则能提供一个较高的命中率。组相联映射，折中了二者的优点。

Cache替换策略

　当 Cache 缺失，而缺失所在块(组)存在数据，我们需要一定策略选择一个替换块来存放我们从主存中载入的数据，以使我们在未来的指令操作中，竟可能减 Cache 缺失的可能。

• FIFO，先到先置换算法，在一开始我们实现的直接相连映射下的覆盖方式类似于这种方法；
• 随机算法，即随机置换一个块；
• 最近最少使用算法(LRU)，这一算法运用了程序时间局部性的原理，在置换的时候，选择组中最近不怎么使用的块，将其置换，可以竟可能达到满意的命中率。

D-Cache写策略

　对于 D_Cache 的写操作，有两种比较常见的策略：

• 写直达法，即向 D-Cache 写入数据时，直接将数据写入主存， 同时采用写不分配法， 写数据的时候不将写缺失块载入 Cache， 等到读缺失时再将其载入；
• 写回法，向 D-Cache 写入数据时，采用写分配法，为其在 Cache 中分配空间，直接在 Cache 中写入数据，当其需要被置换时，再将其写入主存；
• 这两种方法都能保持 Cache 与主存的一致性。

使用说明

• 使用ISE软件打开 arm_clear_cache 工程
• 使用 Cache_v? 文件夹下文件替换工程中相应文件
• 将 Test 文件夹下各测试用例对应的 .mif 文件内容写入 arm_clear_cache 工程下的 program.mif 文件，对个测试用例进行测试