【头歌·计组·自己动手画CPU】三、存储系统设计(HUST)(理论版) 【计算机硬件系统设计】

一、课程设计目的

理解计算机中重要部件—存储器，要求掌握存储扩展的基本方法，能设计 MIPS 寄存器堆、MIPS RAM 存储器。能够利用所学习的 cache 的基本原理设计直接相联、全相联，组相联映射的硬件cache。

二、课程设计内容

1. 汉字字库存储芯片扩展实验
   1. 实验目的

理解存储系统进行位扩展、字扩展的基本原理，能利用相关原理解决实验中汉字字库的存储扩展问题，并能够使用正确的字库数据填充

1. MIPS寄存器文件设计
   1. 实验目的

了解 MIPS 寄存器文件基本概念，进一步熟悉多路选择器、译码器、解复用器等 Logisim 组件的使用，并利用相关组件构建 MIPS 寄存器文件

1. MIPS RAM设计
   1. 实验目的

理解主存地址基本概念，理解存储位扩展基本思想，并能利用相关原理构建能同时支持字节、半字、字访问的存储子系统

1. 全相联cache设计
   1. 实验目的

掌握 cache 实现的三个关键技术：数据查找，地址映射，替换算法，熟悉译码器，多路选择器，寄存器的使用，能根据不同的映射策略在 Logisim 平台中用数字逻辑电路实现 cache 机制

1. 直接相联cache设计
   1. 实验目的

掌握 cache 实现的三个关键技术：数据查找，地址映射，替换算法，熟悉译码器，多路选择器，寄存器的使用，能根据不同的映射策略在 Logisim 平台中用数字逻辑电路实现 cache 机制

1. 4路组相连cache设计
   1. 实验目的

掌握 cache 实现的三个关键技术：数据查找，地址映射，替换算法，熟悉译码器，多路选择器，寄存器的使用，能根据不同的映射策略在 Logisim 平台中用数字逻辑电路实现 cache 机制

1. 2路组相联cache设计
   1. 实验目的

掌握 cache 实现的三个关键技术：数据查找，地址映射，替换算法，熟悉译码器，多路选择器，寄存器的使用，能根据不同的映射策略在 Logisim 平台中用数字逻辑电路实现 cache 机制

三、课程设计步骤

1. 汉字字库存储芯片扩展实验
   1. 原理

汉字点阵为1616位。需要8片16K32位ROM来存储点阵信息。我们需要用4片4K32位ROM代替其中一片16K32位ROM。4K需要12根地址线，16K需要14根地址线。所以高位多余的两位作为片选信号。我们需要一个数据选择器，来进行选择输出那一片ROM中的数据。再根据数据进行分析，数据的最后两位是选片区的。所以将最后两位直接输入到选择器选择短。最后将数据对应连接，即可得到电路。

1. 接线图

1. MIPS寄存器文件设计
   1. 原理

首先需要实现读取逻辑。假设R1#和R2#分别为两位宽的信号，并且设置数据选择器的位宽也为两位。这样，我们可以通过R1#和R2#来确定RD1和RD2，从而获取指定编号寄存器中的数值。

举例来说，当R1#为10时，表示选择2号寄存器。每个寄存器的输出都需要连接到相应的数据选择器的数据输入端。

接下来，我们要实现写入逻辑。系统总共有4个寄存器，因此我们可以使用译码器将W#转换为4个片选信号，分别表示0-3号寄存器。

当WE为1时，表示可以进行数据写入。因此，我们可以将片选信号和WE信号通过与门进行连接。

最后，将数据输入连接到相应的寄存器即可得到完整的电路。

另外，需要注意的是，0号寄存器需要保持为零，所以数据输入也需要设置为零。

1. 接线图

1. MIPS RAM设计

   1. 原理

2. 寄存器部分：使用4片8位寄存器，字节地址的低两位用于片选信号，其余位作为地址信号输入到寄存器中。

3. 模式选择：使用模式选择信号Mode[1:0]，通过译码器将模式信号转换为1位宽的信号，以便进行逻辑判断。

4. 读取逻辑：

• 字读取：当模式为字读取时，直接输出全部数据。
• 半字读取：通过字节地址的第二低位确定输出哪个半字。
• 字节读取：通过字节地址的低两位确定输出哪个字节。

1. 写入逻辑：

• 字写入：根据模式为字写入（00）
• 字节写入：根据模式为字节写入（01）
• 半字写入：根据模式为半字写入（10），字节地址的倒数第二位决定选择哪两个片选信号。

1. 片选信号和存储器的写入信号进行连接，决定是否执行写入操作。

   1. 接线图

2. 全相联cache设计

   1. 原理

全相联映射是一种Cache存储方式，其中主存中的任意一块可以存在于Cache中的任意位置。这种映射方式可以提高命中率，但也增加了硬件开销。

当CPU访问Cache中的某一字节时，它会给出一个9位地址。其中低5位表示该字节在Cache块的32个字节中的位置，高4位表示该字节属于主存16个块中的哪一个块。

由于Block在Cache中的位置是不确定的，CPU在查找数据时首先使用9位地址中的块序号的高4位与Cache中块的序号进行比对。因此，在Cache中存储数据时需要额外的空间来存储块的序号，即Tag位。有时还需要一些空间来表示Cache的有效位，以标记Cache中的内容是否有效。在初始化时，这些有效位可以被置为0，表示无效状态。

1. 接线图

2. 直接相联cache设计

   1. 原理

3. 将主存地址拆分为标记（tag）、行索引（index）和字地址（offset）。

• 标记位长度为11位，用于表示主存块在Cache中的唯一标识。
• 行索引位长度为3位，用于选择Cache中的行。
• 字地址位长度为2位，用于选择Cache块中的字节。

1. 读取逻辑：

• 使用行索引作为译码信号，获取对应行的选择信号。
• 每个Cache槽需要包含三个寄存器：valid（有效位）、tag（标记位）和data（数据位）。
• 使用三态门和行选择信号，将输入和输出数据分别与对应的寄存器连接。
• 当数据有效且标记位与主存地址的标记位相同时，表示命中。

1. 写入逻辑：

• 当写入信号为真且未命中（即数据失效），需要将主存中的数据加载到Cache中。
• 首先使用行索引选择对应的行，然后更新标记位、数据位和有效位。

通过上述逻辑实现直接相联映射关系的Cache，可以进行读取和写入操作，并根据标记位和有效位判断是否命中。

1. 接线图
2. 4路组相连cache设计
   1. 原理

假设cache块大小为4W，共8行。字节地址为16位，分为tag、index和offset三个部分。由于块大小为4W，故offset为2位；cache共8行，一组有4行，因此index为1位；tag则为13位。

1. 组索引译码器：组索引index字段经过组索引译码器生成若干组索引译码信号，这些信号用于选择对应的cache组。

2. 数据输出控制：所有行数据输出采用三态门控制输出至系统数据总线。行译码信号L0-L7连接至对应的三态门控制端，只有组译码信号有效的组才会进行输出。这样可以确保同一时刻只有一行输出。

3. 数据命中：当选中行的有效位为1且标记位与字节地址中的tag相同时，表示数据命中。命中信号hit控制最终的字选择多路选择器的使能端，确定具体输出选中行中哪一个字，从而实现数据的查找和访问。

4. 数据未命中处理：Miss信号为1时表示数据未命中。当Miss信号和BlkReady信号同时为1时，结合组索引译码信号，通过淘汰计数器和LRU算法，决定替换组中的哪一行。然后对cache中相应行的valid信号、tag和data进行修改，最后取出正确数据。

   1. 接线图

5. 2路组相联cache设计

   1. 原理

原理和4路组相联cache相同

1. 接线图

四、课程设计总结

通过这次课程设计，我深入理解了计算机中重要部件——存储器，并掌握了存储扩展的基本方法。我学会了设计MIPS寄存器堆和MIPS RAM存储器，并能利用所学的基本原理设计直接相联、全相联和组相联映射的硬件cache。
在汉字字库存储芯片扩展实验中，我理解了存储系统进行位扩展和字扩展的基本原理，并成功解决了汉字字库的存储扩展问题。我学会了使用正确的字库数据填充，并将数据选择器与ROM进行连接，以实现对应数据的输出。
在MIPS寄存器文件设计中，我进一步熟悉了多路选择器、译码器和解复用器等Logisim组件的使用。我成功构建了MIPS寄存器文件，并实现了读取逻辑和写入逻辑。我了解到0号寄存器需要保持为零，因此在数据输入时也需要设置为零。
在MIPS RAM设计中，我理解了主存地址的基本概念和存储位扩展的基本思想。我成功构建了能同时支持字节、半字和字访问的存储子系统。我学会了使用模式选择信号和译码器进行逻辑判断，并根据不同的模式进行读取和写入操作。
在全相联cache设计中，我掌握了cache实现的三个关键技术：数据查找、地址映射和替换算法。我熟悉了译码器、多路选择器和寄存器的使用，并能根据不同的映射策略在Logisim平台中用数字逻辑电路实现cache机制。我学会了使用标记位、行索引和字地址来确定数据的位置和命中情况。
在直接相联cache设计中，我进一步加深了对cache实现的三个关键技术的理解。我学会了将主存地址拆分为标记、行索引和字地址，并通过译码器和有效位对数据进行选择和输出。我了解到需要设置有效位、标记位和数据位，并根据标记位和有效位判断是否命中。
在4路组相联cache设计和2路组相联cache设计中，我进一步加深了对cache实现的三个关键技术的掌握。我熟悉了组索引译码器和数据输出控制的使用，并了解到数据命中和数据未命中处理的过程。我学会了使用替换算法和LRU算法，以确定替换组中的哪一行，并对cache中的相关信号进行修改和取出正确数据。
通过这次课程设计，我不仅提高了对存储器的理解和设计能力，还加深了对数字逻辑电路的认识。我将继续努力学习，提高自己在计算机硬件方面的知识和技能。