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。

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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：

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

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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 bit
    bool modified;       // Modified/Dirty bit
    uint32_t tag;        // Tag
    uint8_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0
            cache->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;
}

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代码解析

1. 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。

2. 缓存集合结构 (CacheSet)：

   • 每个集合包含 4 个缓存行，表示 4-way。

3. 整个缓存 (Cache)：

   • 包含 4 个集合，每个集合是 4-way。

4. 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）。

5. 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。

6. 释放缓存 (freeCache)：

   • 释放动态分配的 data 内存。

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

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总结

该实现展示了如何初始化 4-way 4-sets 缓存，包括每个缓存行的基本字段（valid, modified, tag, data）。通过动态内存分配和结构化设计，这种方式非常适合模拟实际的缓存行为。