LRU算法，全称是 Least Recently Used（最近最少使用），是一种常见的缓存淘汰策略，广泛应用于操作系统的内存页面置换、数据库缓存、Web 缓存、CPU 缓存等场景。当前文章举例说明怎么使用verilog实现LRU算法。

1.生活场景类比

想象你有一个小书架，书架有 4 层（对应 4 路组相联缓存的 4 路），每层只能放一本书。你平时会从书架上拿书看，也会往书架上放新书。但是书架空间有限，当你要放一本新书，而书架已经满了的时候，你就得把一本最久没看的书拿下来，再把新书放上去，这就是 LRU 算法的核心思想。

2.代码逻辑

（1）记录看书顺序：LRU 位

为了知道哪本书是最久没看的，你在书架旁边放了一个小本子（对应代码里的 LRU 位），每次你从书架上拿书看或者放新书上去，就在小本子上记录一下。代码里用几个二进制位来记录每一路缓存行的使用情况，就像你在小本子上记录每一层书架的书的使用情况一样。

（2）选择要拿走的书：选择替换的缓存行

优先选空层：当你要放一本新书时，会先看看书架的 4 层里有没有空的。如果有，就直接把新书放在空的那一层。代码里也是一样，当要往缓存里加载新数据时，会先看看 4 路缓存行里有没有无效的（没被使用过的），如果有，就优先使用无效的那一路。

在这个例子中，set0_valid_r、set1_valid_r、set2_valid_r、set3_valid_r就像是判断每一层书架有没有书的标志。如果某一层没有书（无效），就选择这一层来放新书。

使用 LRU 算法：要是书架的 4 层都有书（4 路缓存行都有效），你就得看看小本子上的记录，找出最久没看的那本书，把它拿下来。代码里根据 LRU 位的值来确定哪一路是最近最少使用的。

这里的set_lru_bits_r就像是小本子上的记录，通过判断它的值，就能知道哪一层的书是最久没看的。

（3） 更新小本子记录：更新 LRU 位

每当你从书架上拿一本书看或者放一本新书上去，都要在小本子上更新一下记录，表明这本书是最近看的。代码里也是，每当有数据写入某一路缓存行时，就表示这一路是最近使用的，要更新 LRU 位来反映这个情况。

write_set0、write_set1、write_set2等就像是你从某一层拿书或者放书的操作，根据不同的操作，更新小本子（LRU 位）上的记录。

（4）保存新记录：保存更新后的 LRU 位

更新完小本子上的记录后，要保证下次看的时候还是最新的记录。代码里也是，更新完 LRU 位后，要把新的 LRU 位存回标签 RAM，这样下次选择要拿走的书（替换的缓存行）时就能使用最新的使用情况信息。

这里就是把更新后的 LRU 位（nxt_lru_bits）存到标签 RAM 里。

通过这个生活中的例子，你应该能更直观地理解和实现LRU 算法了。