verilog实例-近期最少使用算法（LRU）

1、LRU（Least Recently Used）简介

LRU算法用于cache管理或任何其他需要对访问权进行周期更新的场合。

• 基于时间和空间考虑，cache中存储着近期将会用到的数据项。当cache被用满后，如果有新的数据项到来，需要将某个现有的数据项从cache中清除，为新进入者提供空间。此时通常使用的算法被称为LRU(Least Recently Used,近期最少使用)，通过LRU算法可以找到最久未被使用过的数据项，cache将该数据项清除，并将新的数据项写入此处。
• 另一个会用到LRU算法的地方是网络设备中的路由表管理电路。路由表的地址空间非常大，而在网络设备中用于存储路由表的存储器相对小得多，因此只有一部分路由表表项可以存储在CAM(Content Addressable Memory)存储器中。当CAM被用满后，如果有新的路由表表项到来，那么需要采用LRU算法找到当前CAM中最久未用过的表项，将其清除后把新的表项写人，新的表项成为最新表项。

2、LRU的矩阵实现

在RTL级实现LRU算法的方法有多种。一种采用硬件实现LRU的方法是矩阵法。

• 例如，有一个表，可存储4个表项，当前表项为A、B、C和D。我们的目标是确定哪一个是最久没有被访问过的，具体步骤如下：
  • 构建一个4×4的存储单元矩阵（每个存储单元是一个触发器）。
  • 将所有触发器初始化为零。
  • 无论何时，只要有一个表项被访问，其对应的一行全部置为1，其对应列全部置为0。
  • 只要某个表项被访问，重复上一步操作。
  • 全零的一行对应的表项是近期最少使用者，是要被新的表项替代的对象。

假定访问顺序为A、D、C、A、B,在此情形下，D是最近使用最少的表项，它应该被替换掉。下面用4×4矩阵解释上述算法。


可见，D行全为零，是近期最少使用者。B行的1最多，是近期最多使用者。

3、RTL design

/*----------------------------------------------------------
Filename				:	LRU
Author					:	deilt
Description				:	Least Recently Used, matrix 矩阵法
Called by				:	
Revision History		:	11/1/2022
                            Revison 1.0
Email					:	[email protected]
Company:Deilt Technology.INC
Copyright(c) 1999, Deilt Technology Inc, All right reserved
--------------------------------------------------------------*/
module LRU
#(
    parameter       SIZE = 8
)
(
    input           clk             ,
    input           rstn            ,
    input           update_entry    ,
    input [2:0]     update_index    ,
    output[2:0]     lru_index       
);
    reg [SIZE-1:0]  matrix[SIZE-1:0]        ;
    reg [SIZE-1:0]  matrix_nxt[SIZE-1:0]    ;
    reg [2:0]       lru_index               ;
    reg [2:0]       lru_index_nxt           ;
    

    //resetn all unit of matrix to zero
    generate
        genvar i;
        for(i=0;i<SIZE;i=i+1)
            begin
                always@(posedge clk or negedge rstn)begin
                    if(!rstn)
                        matrix[i] <= 'd0        ;
                    else
                        matrix[i] <= matrix_nxt[i]  ;
                end
            end
    endgenerate
    
    //when update_index put in as i, then matrix[i] = 8'b1, matrix[i][i] = 1'b0
    generate
        genvar j,k;
        for(j=0;j<SIZE;j=j+1)begin
            for(k=0;k<SIZE;k=k+1)
                begin
                    always@(*)begin
                        matrix_nxt[j][k] = matrix[j][k] ;
                        if(update_entry && j == update_index && k != update_index)
                            matrix_nxt[j][k] = 1'b1 ;
                        else if(update_entry && j == update_index && k == update_index)
                            matrix_nxt[j][k] = 1'b0 ;
                    end
                end
        end
    endgenerate

    //output the lru_index
    always @(*) begin
        lru_index_nxt = lru_index ;
        if(matrix[0]=='d0)
            lru_index_nxt = 0   ;
        else if(matrix[1] == 'd0)
            lru_index_nxt = 1   ;
        else if(matrix[2] == 'd0)
            lru_index_nxt = 2   ;
        else if(matrix[3] == 'd0)
            lru_index_nxt = 3   ;
        else if(matrix[4] == 'd0)
            lru_index_nxt = 4   ;
        else if(matrix[5] == 'd0)
            lru_index_nxt = 5   ; 
        else if(matrix[6] == 'd0)
            lru_index_nxt = 6   ;
        else if(matrix[7] == 'd0)
            lru_index_nxt = 7   ;       
    end


    always @(posedge clk or negedge rstn)begin
        if(!rstn)
            lru_index <= 'd0;
        else
            lru_index <= lru_index_nxt;
    end

endmodule