內(nèi)容可尋址存儲器MCM69C232及其應(yīng)用

內(nèi)容可尋址存儲器cam（content-addressable memory）是以內(nèi)容進(jìn)行尋址的存儲器，是一種特殊的存儲陣列ram，它的主要工作機(jī)制就是將一個輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)與存儲在cam中的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)自動同時進(jìn)行比較，判別該輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)與cam中存儲的數(shù)據(jù)項(xiàng)是否相匹配，并輸出該數(shù)據(jù)項(xiàng)對應(yīng)的匹配信息，美國motorola公司的cam芯片mcm69c232在市場上是性價比較高的產(chǎn)品，因而被廣泛地應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信，模式識別等領(lǐng)域，其用于數(shù)據(jù)檢索的優(yōu)勢是軟件無法比擬的，可以極大的提高系統(tǒng)性能。

1 mcm69c32芯片介紹

內(nèi)容可尋址存儲器（cam）從本質(zhì)上講是一種基于ram技術(shù)的特殊存儲器，數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲在cam內(nèi)部的陣列單元中，每個數(shù)據(jù)項(xiàng)中的位數(shù)稱為"字寬"，陣列內(nèi)所有數(shù)據(jù)項(xiàng)的條數(shù)稱為"深度"，cam的容量通過字寬和深度來表征，mcm69c232設(shè)計(jì)可存儲4096條寬度為64位的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

mcm69c232有兩組數(shù)據(jù)端口：控制端口（control port）和匹配端口（match port）。控制端口用于處理器（cpu）對cam表的操作，包括插入、刪除數(shù)據(jù)表項(xiàng)、模式設(shè)置和模擬匹配，以及讀取芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器的信息等，數(shù)據(jù)項(xiàng)的檢索通過匹配端口完成。

盡管基于ram技術(shù)，但cam的存儲機(jī)制卻與ram大相徑庭，圖1為mcm69c232的結(jié)構(gòu)框圖，圖中mcm69c232沒有用于確定內(nèi)容存儲單元的地址總線，其地址線a0-a2用于對片內(nèi)控制寄存器的尋址。處理器通過操作mcm69c232的控制端口（數(shù)據(jù)線dq0-dq15）可以讀/寫cam表中的數(shù)據(jù)項(xiàng)，數(shù)據(jù)項(xiàng)的存儲地址由芯片內(nèi)部邏輯控制。mcm69c232有兩種工作模式：atm模式和基本模式。atm模式主要用于atm交換機(jī)對atm信元進(jìn)行虛擬通路標(biāo)識號/虛擬通道標(biāo)識號（vpi/vci）的轉(zhuǎn)換處理，基本模式主要用于以太網(wǎng)上的ip/mac地址匹配等數(shù)據(jù)檢索。

mcm69c232芯片的主要特性如下：

160ns的匹配時間；

沒有屏蔽寄存器；

通過芯片級聯(lián)擴(kuò)展深度；

時鐘頻率最高為50mhz；

匹配字寬和輸出結(jié)果位寬可自定義；

在atm模式下可進(jìn)行vpc（virtual path circuits）和vcc（virtual connection circuits）的同時匹配；

端口主要分為控制和匹配端口；

200ns的插入時間（在12個端口數(shù)據(jù)項(xiàng)隊(duì)列未滿的情況下）；

12ms的初始化時間（在設(shè)置了快速寫入模式后）；

具有符合ieee標(biāo)準(zhǔn)1149.1的測試端口（jtag）。

2 mcm69c232芯片的使用

在基本操作模式下，mcm69c232的讀取輸入數(shù)據(jù)并與cam表中的所有表項(xiàng)相比較，無論匹配項(xiàng)找到與否，當(dāng)比較完成后，mc（match complete）引腳均有效，如果找到了匹配項(xiàng)，則ms（match successful）引腳有效，同時在mq總線上輸出與匹配數(shù)據(jù)項(xiàng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如果沒有找到，則mq總線保持高阻態(tài)，以便級聯(lián)cam芯片來擴(kuò)展存儲深度。

mcm69c232上電后，默認(rèn)工作模式為基本模式，在進(jìn)入數(shù)據(jù)檢索操作之前，芯片必須先完成幾個啟動操作過程：首先，要設(shè)置全局屏蔽寄存器，定義匹配字寬和輸出結(jié)果位寬；其次，要選擇數(shù)據(jù)表項(xiàng)的寫入模式，即快速寫入模式還是動態(tài)寫入模式；再次，要把用戶需要的數(shù)據(jù)項(xiàng)（共64位，包括匹配字節(jié)和與其對應(yīng)的輸出結(jié)果字節(jié)）逐次裝入cam表中。

cam表數(shù)據(jù)項(xiàng)寫入模式的選擇，往往是在寫入速度和啟動匹配操作花費(fèi)的時間中取個平衡，快速寫入模式，常用于將大量的數(shù)據(jù)項(xiàng)初始寫入cam表中，而動態(tài)寫入模式，則常用于啟動匹配后往cam表中插入少量的數(shù)據(jù)項(xiàng)。用戶通過操作控制口4個i/o寄存器來插入或刪除cam表項(xiàng)，當(dāng)有異常狀態(tài)出現(xiàn)時，可以從標(biāo)志寄存器和錯誤代碼寄存器反應(yīng)出來，mcm69c232內(nèi)部的寄存器如圖2所示。

mcm69c232芯片的主要特性如下：

160ns的匹配時間；

沒有屏蔽寄存器；

通過芯片級聯(lián)擴(kuò)展深度；

時鐘頻率最高為50mhz；

匹配字寬和輸出結(jié)果位寬可自定義；

在atm模式下可進(jìn)行vpc（virtual path circuits）和vcc（virtual connection circuits）的同時匹配；

端口主要分為控制和匹配端口；

200ns的插入時間（在12個端口數(shù)據(jù)項(xiàng)隊(duì)列未滿的情況下）；

12ms的初始化時間（在設(shè)置了快速寫入模式后）；

具有符合ieee標(biāo)準(zhǔn)1149.1的測試端口（jtag）。

2 mcm69c232芯片的使用

在基本操作模式下，mcm69c232的讀取輸入數(shù)據(jù)并與cam表中的所有表項(xiàng)相比較，無論匹配項(xiàng)找到與否，當(dāng)比較完成后，mc（match complete）引腳均有效，如果找到了匹配項(xiàng)，則ms（match successful）引腳有效，同時在mq總線上輸出與匹配數(shù)據(jù)項(xiàng)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如果沒有找到，則mq總線保持高阻態(tài)，以便級聯(lián)cam芯片來擴(kuò)展存儲深度。

mcm69c232上電后，默認(rèn)工作模式為基本模式，在進(jìn)入數(shù)據(jù)檢索操作之前，芯片必須先完成幾個啟動操作過程：首先，要設(shè)置全局屏蔽寄存器，定義匹配字寬和輸出結(jié)果位寬；其次，要選擇數(shù)據(jù)表項(xiàng)的寫入模式，即快速寫入模式還是動態(tài)寫入模式；再次，要把用戶需要的數(shù)據(jù)項(xiàng)（共64位，包括匹配字節(jié)和與其對應(yīng)的輸出結(jié)果字節(jié)）逐次裝入cam表中。

cam表數(shù)據(jù)項(xiàng)寫入模式的選擇，往往是在寫入速度和啟動匹配操作花費(fèi)的時間中取個平衡，快速寫入模式，常用于將大量的數(shù)據(jù)項(xiàng)初始寫入cam表中，而動態(tài)寫入模式，則常用于啟動匹配后往cam表中插入少量的數(shù)據(jù)項(xiàng)。用戶通過操作控制口4個i/o寄存器來插入或刪除cam表項(xiàng)，當(dāng)有異常狀態(tài)出現(xiàn)時，可以從標(biāo)志寄存器和錯誤代碼寄存器反應(yīng)出來，mcm69c232內(nèi)部的寄存器如圖2所示。

cam表的匹配位取決于全局屏蔽寄存器的定義，屏蔽寄存器為0的位要求數(shù)據(jù)項(xiàng)的對應(yīng)位作匹配操作；為1，則對應(yīng)位無需匹配，典型的應(yīng)用中用戶總是把數(shù)據(jù)項(xiàng)的高位序位定義為"待匹配字節(jié)"，低位序位定義為"結(jié)果輸出字節(jié)"。64位中的任何位都可以定義為"匹配操作"，但實(shí)際上輸出到匹配口mq0-mq31總線上的總是最低32位數(shù)據(jù)，并非可任意編程輸出的。如果設(shè)置的輸出結(jié)果字節(jié)超過32位，則是無意義的。

通常情況下，mcm69c232通過寫控制口數(shù)據(jù)和指令來準(zhǔn)備匹配操作，一般步驟是把數(shù)據(jù)項(xiàng)裝入4個i/o寄存器，然后往操作代碼寄存器寫入操作代碼，即可完成一種指令的操作，指令完成后cam表的內(nèi)容可能會被修改，標(biāo)志寄存器的相應(yīng)位會被置位，錯誤代碼寄存器會返回錯誤碼，當(dāng)使能時，還會觸發(fā)中斷。

芯片的操作指令如表1所列。

復(fù)位。復(fù)位同步于主時鐘的上升沿，一個時鐘周期的復(fù)位就能清空cam表和輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)隊(duì)列，置標(biāo)志寄存器為1c，錯誤代碼寄存器為ffff，幾乎滿寄存器fff，并清除中斷屏蔽。

控制口時序，訪問控制口如同處理器訪問ram一樣，時序較為簡單。

匹配口時序，訪問匹配口分兩種情況：一種是匹配字節(jié)小于等于32位，只用lh/sm信號裝載匹配數(shù)據(jù)，ll信號無用，另一種是匹配字節(jié)大于32位，先用ll信號裝載匹配數(shù)據(jù)低位部分，再由lh/sm信號裝載高位部分，匹配結(jié)果由mc信號和ms信號指示，使能g信號讀取匹配結(jié)果數(shù)據(jù)，匹配口時序參見參考文獻(xiàn)[1]。

兩口同時匹配，控制口模擬匹配和匹配口匹配同時進(jìn)行時，匹配口優(yōu)先權(quán)較高，另外控制口模擬匹配操作之前要求輸入隊(duì)列為空，以便接收結(jié)果。

深度擴(kuò)展。芯片簡單級聯(lián)即可擴(kuò)展深度，具體的擴(kuò)展連接方法請參見參考文獻(xiàn)[1]。

3 mcm69c232芯片的應(yīng)用

3.1 mcm69c232在交換機(jī)中的應(yīng)用

在以太網(wǎng)上，交換機(jī)維護(hù)一張用于二層交換的地址表（通常稱為"cam表"），該表維護(hù)mac地址與出接口的對應(yīng)關(guān)系，這樣每當(dāng)接收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)就會進(jìn)行判斷，如果該數(shù)據(jù)幀不是發(fā)送給自己的，則根據(jù)數(shù)據(jù)幀的目的mac地址查詢cam表，如果能命中（所謂命中，就是在cam表中找到與該mac地址對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)），則根據(jù)查詢的結(jié)果（通常是一個出接口列表）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；如果不能命中，則向所有端口廣播該數(shù)據(jù)幀。

交換機(jī)的這張cam表可以通過多種方式獲得，比如靜態(tài)匹配、動態(tài)學(xué)習(xí)。針對多播，還可以通過各種多播協(xié)議（如igmp窺探、gmrp協(xié)議等方式）獲得（多播轉(zhuǎn)發(fā)表不能通過學(xué)習(xí)獲得，而且多播轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)跟普通轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)不同，與其對應(yīng)的出口可能不只一個，而是一個出口集合）；但對于單播，最重要的一種建立方式是動態(tài)學(xué)習(xí)。

當(dāng)交換機(jī)接收到一個數(shù)據(jù)幀時，提取出該數(shù)據(jù)幀的目的mac地址，并以此為根據(jù)進(jìn)行cam表查詢，如果能查找到結(jié)果，則根據(jù)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)，如果不能命中，則對除接收端口外的所有端口進(jìn)行復(fù)制。在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的同時，交換機(jī)還進(jìn)行一個學(xué)習(xí)的過程，它把數(shù)據(jù)幀的源mac地址提取出來，查詢cam表，看cam表中是否有針對該mac地址的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)，如果沒有，則把該mac地址和接收到該mac地址的端口綁定起來，插入cam表項(xiàng)，這樣當(dāng)接收到一個發(fā)送到該mac地址的數(shù)據(jù)幀時，就不需要向所有端口廣播，而僅向這個端口發(fā)送即可，需要注意的是，數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)是依據(jù)目的mac地址查詢mac表，而cam表的學(xué)習(xí)則是以源mac地址為依據(jù)的。

之所以在交換機(jī)中使用cam，是因?yàn)榻粨Q機(jī)對性能要求特別高， 交換機(jī)中的嵌入式實(shí)時控制系統(tǒng)的性能主要取決于兩方面：硬件平臺的運(yùn)算性能和算法優(yōu)越性，其中，硬件平臺的運(yùn)算性能最為關(guān)鍵，這一點(diǎn)在交換機(jī)中表現(xiàn)的尤為突出，按照設(shè)計(jì)要求，以太網(wǎng)幀的mac地址的檢索時間一般都是μs級，因此首先要保證數(shù)據(jù)檢索任務(wù)的響應(yīng)速度；除了十分繁重的數(shù)據(jù)檢索任務(wù)外，交換機(jī)還必須完成snmp（simple network management protocol）協(xié)議處理、命令行處理等任務(wù)，所以還必須解決數(shù)據(jù)檢索對系統(tǒng)資源的占用問題，利用軟件實(shí)現(xiàn)對以太網(wǎng)幀的mac地址檢索并不復(fù)雜，但由于檢索次數(shù)頻繁，大量的系統(tǒng)資源被占用，致使系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大降低，滿足不了大流量數(shù)據(jù)通信的要求，因此純軟件算法解決不了數(shù)據(jù)檢索部分占用大量資源的問題，為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，必須將數(shù)據(jù)檢索的任務(wù)分離出來由硬件實(shí)現(xiàn)，而協(xié)議處理部分仍由cpu完成，數(shù)據(jù)檢索模塊和協(xié)議處理模塊并行工作，利用硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索還可以提高檢索速度，降低系統(tǒng)資源的占用率。在這里cam的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。

3.2 檢索操作

當(dāng)進(jìn)行mac地址檢索時，cpu首先以mac地址為關(guān)鍵字通過mac-cam表的檢索得到對應(yīng)的索引值，然后再根據(jù)索引值找到ram表中該mac地址對應(yīng)的相關(guān)信息的存儲位置，并也此地址獲得相關(guān)配置信息，在ram中的相關(guān)配置中可以存放諸如mac地址、用戶端口、有效標(biāo)志域等其他信息。cam表示ram的映射關(guān)系如圖3所示。

按協(xié)議規(guī)定mac地址占48位，表示為6字節(jié)的數(shù)組，故對于mac地址的匹配操作，屏蔽字設(shè)為0x0000_0000_0000_ffff，即48位匹配，屏蔽字的設(shè)定必須在cam初始化時完成，在執(zhí)行匹配操作前，cam須進(jìn)行初始化，mcm69c232上電后，默認(rèn)工作模式為基本模式，因此不必再設(shè)置工作模式，前面已提到過，cam中mac表的形成是通過自學(xué)習(xí)得到的，因此無需向cam表中寫入數(shù)據(jù)項(xiàng)。

匹配操作通過對匹配口讀/寫來完成，匹配口數(shù)據(jù)線mq只有32位，由于mac地址占48位，因此需要兩次寫操作才能完整地將一個mac地址表達(dá)出來，當(dāng)進(jìn)行mac地址檢索時，cpu先向匹配口寫入mac地址的低32位數(shù)據(jù)，其中高16位有效，低16位可以為任意值；緊接著cpu向匹配口寫入高32位數(shù)據(jù)，隨后cpu讀匹配口，即可得到匹配結(jié)果。

結(jié)語

采用內(nèi)容可尋址存儲器mcm69c232，極大的提高了數(shù)據(jù)檢索速度，而這是用純軟件緊縮算法所不能比擬的，設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能夠滿足了大流量網(wǎng)絡(luò)通信的要求，使產(chǎn)品獲得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。