2-way 8-sets 缓存的初始化

创建一个 2-way set-associative cache 有 8 个 sets 的缓存设计，主要需要以下几个步骤：

缓存结构

缓存概念：
- 2-way：每个 set 中包含 2 条缓存线（lines）。
- 8 sets：缓存总共分为 8 个 sets。
- 每条缓存线包含：
  - Valid Bit：指示缓存线是否有效。
  - Tag：用来标识地址。
  - Data：存储实际数据。
  - Dirty Bit（对于 write-back 策略需要）。
缓存存储容量：
如果每条缓存线大小是 line_size 字节：
- 总容量 = line_size × 2 × 8 字节。

缓存代码实现

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>// 定义单个缓存线
typedef struct {bool valid;        // 有效位bool dirty;        // 脏位（可选）uint32_t tag;      // Tag 部分uint8_t *data;     // 实际数据（指向内存块）
} CacheLine;// 定义缓存的 Set
typedef struct {CacheLine lines[2]; // 每个 set 有 2 条缓存线（2-way）
} CacheSet;// 定义缓存
typedef struct {CacheSet sets[8];   // 缓存中有 8 个 setsuint32_t line_size; // 每条缓存线大小
} Cache;// 初始化缓存
void initializeCache(Cache *cache, uint32_t line_size) {cache->line_size = line_size;for (int i = 0; i < 8; i++) {  // 8 个 setsfor (int j = 0; j < 2; j++) {  // 每个 set 中有 2 条缓存线cache->sets[i].lines[j].valid = false;cache->sets[i].lines[j].dirty = false;cache->sets[i].lines[j].tag = 0;cache->sets[i].lines[j].data = (uint8_t *)malloc(line_size);}}
}// 模拟访问地址
bool accessCache(Cache *cache, uint32_t address, uint8_t *memory) {uint32_t line_size = cache->line_size;uint32_t index = (address / line_size) % 8;  // 从地址中提取 set index（3 bits）uint32_t tag = address / (line_size * 8);    // 提取 tag// 遍历 set 中的每条缓存线（2-way）for (int i = 0; i < 2; i++) {CacheLine *line = &cache->sets[index].lines[i];if (line->valid && line->tag == tag) {  // 命中printf("Address %u: Hit\n", address);return true;}}// 缺失，加载数据到缓存printf("Address %u: Miss\n", address);// 使用简单替换策略（如替换第一个空缓存线，或者随机替换）CacheLine *lineToReplace = &cache->sets[index].lines[0];if (cache->sets[index].lines[1].valid == false) {lineToReplace = &cache->sets[index].lines[1];}// 如果需要 write-back，检查脏位if (lineToReplace->dirty) {uint32_t writeBackAddress = (lineToReplace->tag * 8 + index) * line_size;memcpy(&memory[writeBackAddress], lineToReplace->data, line_size);printf("Write-back to memory at address %u\n", writeBackAddress);}// 替换缓存线lineToReplace->valid = true;lineToReplace->dirty = false;lineToReplace->tag = tag;memcpy(lineToReplace->data, &memory[address], line_size);return false;
}// 清理缓存
void destroyCache(Cache *cache) {for (int i = 0; i < 8; i++) {for (int j = 0; j < 2; j++) {free(cache->sets[i].lines[j].data);}}
}

示例使用

int main() {uint32_t memory[1024] = {0}; // 模拟主存for (int i = 0; i < 1024; i++) {memory[i] = i * 10; // 初始化内存}Cache cache;initializeCache(&cache, 16); // 每条缓存线大小为 16 字节// 模拟访问accessCache(&cache, 0, (uint8_t *)memory);accessCache(&cache, 128, (uint8_t *)memory);accessCache(&cache, 256, (uint8_t *)memory);accessCache(&cache, 0, (uint8_t *)memory);// 销毁缓存destroyCache(&cache);return 0;
}

核心概念

Index：根据地址计算出需要访问的 set。
- index = (address / line_size) % sets_count
- 这里 sets_count = 8。
Tag：用于标识缓存中的地址是否匹配。
- tag = address / (line_size * sets_count)
2-Way：每个 set 中有两个缓存线，可以选择替换策略如 LRU 或 FIFO。
Data：每条缓存线存储实际数据。
Write-back：如果脏位为 true，需要将缓存中的数据写回内存。