孩子都能学会的FPGA：第二十八课——用FPGA实现最近最少使用(LRU)算法-Toy模板网

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（原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如需整个工程请留言（WX：Blue23Light），不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

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。

比如我们在图书馆借书，图书馆那么多好书，但是一次只能借10本书，所以你只能借最近可能会用到的书，别的书虽然也很好，可以后续再去借。可以把看完的书还过去再去借新书，有些书虽然没有看完，或者根据就没有看，而且最近也不打算看了，也可以还过去，这样就可以借更多想看的书了。LRU算法的思路基本就是这样的，当然这个算法如何使用不是本文的重点，本文是来讲这个算法如果通过FPGA来实现。

LRU算法有多种实现方法，本文FPGA实现LRU采用的是矩阵法。假设有一个表，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:

1. 构建一个4x4的存储单元矩阵，这儿可以采用寄存器，RAM，或者数组。

2. 将所有存储单元初始化为零。

3. 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。

4. 只要某个表项被访问，重复上一步操作。

5. 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4x4矩阵演示的上述算法。

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LRU算法的FPGA实现其实非常简单，因为用到了矩阵，本节其实是主要来讲解一下矩阵如何初始化和赋值，还有就是generate语句如何使用。

假设cache内可以存储8个数据，lru模块输入的是数据的使能信号和数据的标号值，输出的是最少使用数据的标号值，这个值可以从cache中删除，然后让新的数值进入cache。

fpga代码里定义了一个二维的数值matrix，维数是8x8，matrix的每个一维数据代表矩阵的一行，比如matrix[0]代表第0行，这样利用了generate语句，就可以对矩阵generate的每一行的每一列同时进行运算控制。在generate快里面使用了for语句，简化了代码的设计。generate语句相关与把8x8=64个always语句合并在了一起，每个always语句完成矩阵matrix一位的运算和控制。