4-way 4-sets 缓存初始化

以下是 4-way 4-sets 缓存 的初始化代码实现，以及相关的结构和注释。

数据结构设计

缓存配置说明：

4 sets: 表示有 4 个集合，每个集合可以存储多个缓存行。
4-way: 表示每个集合中有 4 个缓存行（组相联）。

每个缓存行需要包含以下字段：

Valid 位：表示缓存行是否有效。
Modified 位：表示缓存行是否被修改（脏位）。
Tag：表示该缓存行的标记。
数据字段：存储缓存行中的实际数据。

C语言代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>// 定义缓存行结构
typedef struct {bool valid;          // Valid bitbool modified;       // Modified/Dirty bituint32_t tag;        // Taguint8_t *data;       // Pointer to actual data
} CacheLine;// 定义缓存集合结构
typedef struct {CacheLine lines[4];  // 每个集合包含 4 个缓存行（4-way）
} CacheSet;// 定义整个缓存结构
typedef struct {CacheSet sets[4];    // 缓存包含 4 个集合
} Cache;// 初始化缓存
void initializeCache(Cache *cache, uint32_t lineSize) {for (int set = 0; set < 4; set++) {         // 遍历每个集合for (int way = 0; way < 4; way++) {    // 遍历集合中的每个缓存行cache->sets[set].lines[way].valid = false;      // 初始状态无效cache->sets[set].lines[way].modified = false;   // 初始状态未修改cache->sets[set].lines[way].tag = 0;            // 初始Tag为0cache->sets[set].lines[way].data = calloc(lineSize, sizeof(uint8_t)); // 分配缓存行数据}}
}// 打印缓存状态
void printCacheState(Cache *cache, uint32_t lineSize) {for (int set = 0; set < 4; set++) {printf("Set %d:\n", set);for (int way = 0; way < 4; way++) {CacheLine *line = &cache->sets[set].lines[way];printf("  Way %d -> Valid: %d, Modified: %d, Tag: 0x%X, Data: ",way, line->valid, line->modified, line->tag);for (int i = 0; i < lineSize; i++) {printf("%02X ", line->data[i]);}printf("\n");}}
}// 释放缓存
void freeCache(Cache *cache) {for (int set = 0; set < 4; set++) {for (int way = 0; way < 4; way++) {free(cache->sets[set].lines[way].data); // 释放每个缓存行的数据指针}}
}int main() {Cache cache;           // 创建缓存uint32_t lineSize = 16; // 每个缓存行的大小（字节）initializeCache(&cache, lineSize); // 初始化缓存printCacheState(&cache, lineSize); // 打印缓存状态freeCache(&cache);     // 释放缓存return 0;
}

代码解析

缓存行结构 (CacheLine)：
- 包含 valid 位、modified 位、tag 和一个指向数据的指针 data。
- data 使用 calloc 动态分配，初始化为 0。
缓存集合结构 (CacheSet)：
- 每个集合包含 4 个缓存行，表示 4-way。
整个缓存 (Cache)：
- 包含 4 个集合，每个集合是 4-way。
初始化函数 (initializeCache)：
- 遍历所有集合和缓存行，设置默认值（valid 和 modified 为 false，tag 为 0，数据初始化为 0）。
打印函数 (printCacheState)：
- 遍历缓存的每个集合和缓存行，打印出当前的 valid、modified、tag 和数据内容。
释放缓存 (freeCache)：
- 释放动态分配的 data 内存。

输出示例

假设每个缓存行大小为 16 字节，运行后初始状态为：

Set 0:Way 0 -> Valid: 0, Modified: 0, Tag: 0x0, Data: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00Way 1 -> Valid: 0, Modified: 0, Tag: 0x0, Data: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00Way 2 -> Valid: 0, Modified: 0, Tag: 0x0, Data: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00Way 3 -> Valid: 0, Modified: 0, Tag: 0x0, Data: 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Set 1:...