计算机组成原理实验仪的cache接口设计

计算机组成原理实验仪的cache接口设计

在传统的计算机组成原理课程中，主储存器的阅读和扩展实验通常只开放。而对于Cache的组成和工作过程,一般只着重于原理性的授课,然而由于Cache的地址映射较为抽象,学生在准确理解上问题较多,因此,设置Cache实验成为必要。在传统计算机组成原理实验仪上,通过添加和改进电路,可以开设Cache实验。论文就在添加了Cache后,如何实现主存与Cache的接口设计作了讨论。1cache的添加实验所涉及的组成原理实验仪属于开放式、单元化结构,这为开设Cache实验而进行改进提供可能性。实验仪包括很多独立的单元(UNIT),单元之间可以通过排线相连。用于实验的主存储器即是一个独立的单元,主存容量为256×8位(一片6116构成)。实验仪为8位机器,系统总线8位(B7～B0),数据总线(D7～D0)和地址总线(A7～A0)复用。总线上挂有一个存储器地址寄存器MAR单元,用于从总线上接收和保存存储器的8位地址,而存储器的8位数据线则直接挂到总线。在添加了Cache后,系统结构如图1所示。图中,存储器与CPU交换一个数据的周期是四个时钟周期T1～T4,而Cache与CPU交换一个数据的周期是两个时钟周期T1～T2。Cache容量16B,每行2B,采用2路组相联地址映射,写策略采用写贯穿法(Write-through),替换算法采用LRU算法。MAR的地址同时提供给主存储器单元和Cache,Cache的地址映射机构则根据主存地址和CPU读写信号WE#,返回读命中信号RH、读不命中信号RNH、写命中信号WH、写不命中信号WNH,均为高电平有效。当读命中时,由Cache将8位数据送总线;当读不命中时,由主存将8位数据送总线,同时,主存读出的16位数据装入Cache的行。当写命中时,总线上的8位数据同时写入主存和Cache(写贯穿);当写不命中时,只写主存,不写Cache。2基于cache的已发业务分析为增加主存与Cache之间的带宽,实验在一片6116存储器的基础上,添加一片6116SRAM、两个总线收发器和若干门电路,这些电路可以通过面包板搭建,也可以通过CPLD器件实现,在此不做讨论。图2给出了主存储器的结构和接口电路。6116存储器芯片共有11根地址线和8根数据线,但是由于实验仪的主存容量只有256×8位,因此我们将两片6116进行位并联连接,形成128×16位的主存格局。为此,两片6116只使用7根地址线,并接自外部地址线A7～A1(由MAR提供)。外部地址线A0用于生成两个信号:高字节使能BEH#和低字节使能BEL#,其逻辑表达式为:由图上可以看出,BEH#和BEL#既参与两片6116的片选译码,又决定了三态总线收发器的收发和开关。因此,两片6116是以两体交叉的编址方式来组织的。6116的片选信号CS#和写使能信号WE#,分别由CPU的片选使能CE#和读写信号WE#引入,6116的高位地址线A10～A7和输出使能OE#则接地。首先分析工作时的数据通路:(1)在Cache读命中时,直接从Cache的“字节数据”端口读出8位数据到外部数据总线D7～D0(实验时连至系统总线B7～B0)。(2)当Cache读未命中时,则从两片6116读出16位数据,一面通过Cache的高低字节数据端口装入Cache的某一行,另一面通过对应的总线收发器输出所要访问的8位数据到外部数据总线。(3)当发生写操作时,由于采用写贯穿策略,所以无论是否命中Cache,都要写主存,因此,必须控制对应的收发器,接收数据总线上要写入的8位数据。同时,为保证准确写入高字节(A0=1)或者低字节(A0=0),务必使得两片6116中只有相应的一片的片选有效。另外,当Cache写命中时,还要通过Cache的“字节数据”端口向Cache写入数据。由以上分析,可以得出两片6116的片选CS1#和CS0#的真值表,如表1。由此推导出逻辑表达式:对于高低字节总线收发器,发送(相对于主存)控制端CDTOB1#(高字节)、CDTOB0#(低字节)只在Cache读操作不命中时有效,其真值表如表2所示。对照真值表,控制信号CDTOB1#、CDTOB0#的逻辑表达式为:相对于发送控制而言,接收控制端CBTOD1#、CBTOD0#则在写操作时有效,而无论Cache是否命中。其真值表如表3所示。同理,得出控制信号CBTOD1#、CBTOD0#的逻辑表达式为:在这里,总线收发器可以采用某种双向三态缓冲器,例如74LS245等等,此时要根据芯片的具体情况,相应的控制信号可以直接由CDTOB1#、CDTOB0#、CBTOD1#、CBTOD0#通过组合电路产生,在此不再赘述。3监控主机的平均速度分析为配合Cache的设置,对主存进行上述的改造和接口设计之后,使得Cache能够在读访问不命中时,以原来2倍的数据总线宽度与存储器交换数据。因此,在保证Cache自身的高速访问的基础上,又进一步提高了CPU访问主存的平均访问速度。本文以体现程序访问的局部性原理的循环程序为例,分析CPU访问主存的平均速度。设时钟周期的宽度为T,CPU的循环程序顺序访问主存的m个连续地址单元,循环执行n遍,若m=10,n=5,则:(1)当系统不设置Cache时,CPU访问的总时间(2)当系统设置Cache后,CPU访问的总时间(3)当系统设置Cache并对主存作以上改进后,CPU访问的总时间表4列出了m和n发生变化时,三