內容可尋址存儲器MCM69C232及其應用

內容可尋址存儲器cam（content-addressable memory）是以內容進行尋址的存儲器，是一種特殊的存儲陣列ram，它的主要工作機制就是將一個輸入數據項與存儲在cam中的所有數據項自動同時進行比較，判別該輸入數據項與cam中存儲的數據項是否相匹配，并輸出該數據項對應的匹配信息，美國motorola公司的cam芯片mcm69c232在市場上是性價比較高的產品，因而被廣泛地應用于網絡通信，模式識別等領域，其用于數據檢索的優(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

內容可尋址存儲器（cam）從本質上講是一種基于ram技術的特殊存儲器，數據項存儲在cam內部的陣列單元中，每個數據項中的位數稱為"字寬"，陣列內所有數據項的條數稱為"深度"，cam的容量通過字寬和深度來表征，mcm69c232設計可存儲4096條寬度為64位的數據項。

mcm69c232有兩組數據端口：控制端口（control port）和匹配端口（match port）?？刂贫丝谟糜谔幚砥鳎╟pu）對cam表的操作，包括插入、刪除數據表項、模式設置和模擬匹配，以及讀取芯片內部狀態(tài)寄存器的信息等，數據項的檢索通過匹配端口完成。

盡管基于ram技術，但cam的存儲機制卻與ram大相徑庭，圖1為mcm69c232的結構框圖，圖中mcm69c232沒有用于確定內容存儲單元的地址總線，其地址線a0-a2用于對片內控制寄存器的尋址。處理器通過操作mcm69c232的控制端口（數據線dq0-dq15）可以讀/寫cam表中的數據項，數據項的存儲地址由芯片內部邏輯控制。mcm69c232有兩種工作模式：atm模式和基本模式。atm模式主要用于atm交換機對atm信元進行虛擬通路標識號/虛擬通道標識號（vpi/vci）的轉換處理，基本模式主要用于以太網上的ip/mac地址匹配等數據檢索。

mcm69c232芯片的主要特性如下：

160ns的匹配時間；

沒有屏蔽寄存器；

通過芯片級聯擴展深度；

時鐘頻率最高為50mhz；

匹配字寬和輸出結果位寬可自定義；

在atm模式下可進行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個端口數據項隊列未滿的情況下）；

12ms的初始化時間（在設置了快速寫入模式后）；

具有符合ieee標準1149.1的測試端口（jtag）。

2 mcm69c232芯片的使用

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

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

cam表數據項寫入模式的選擇，往往是在寫入速度和啟動匹配操作花費的時間中取個平衡，快速寫入模式，常用于將大量的數據項初始寫入cam表中，而動態(tài)寫入模式，則常用于啟動匹配后往cam表中插入少量的數據項。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，當有異常狀態(tài)出現時，可以從標志寄存器和錯誤代碼寄存器反應出來，mcm69c232內部的寄存器如圖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；

通過芯片級聯擴展深度；

時鐘頻率最高為50mhz；

匹配字寬和輸出結果位寬可自定義；

在atm模式下可進行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個端口數據項隊列未滿的情況下）；

12ms的初始化時間（在設置了快速寫入模式后）；

具有符合ieee標準1149.1的測試端口（jtag）。

2 mcm69c232芯片的使用

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

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

cam表數據項寫入模式的選擇，往往是在寫入速度和啟動匹配操作花費的時間中取個平衡，快速寫入模式，常用于將大量的數據項初始寫入cam表中，而動態(tài)寫入模式，則常用于啟動匹配后往cam表中插入少量的數據項。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，當有異常狀態(tài)出現時，可以從標志寄存器和錯誤代碼寄存器反應出來，mcm69c232內部的寄存器如圖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的位要求數據項的對應位作匹配操作；為1，則對應位無需匹配，典型的應用中用戶總是把數據項的高位序位定義為"待匹配字節(jié)"，低位序位定義為"結果輸出字節(jié)"。64位中的任何位都可以定義為"匹配操作"，但實際上輸出到匹配口mq0-mq31總線上的總是最低32位數據，并非可任意編程輸出的。如果設置的輸出結果字節(jié)超過32位，則是無意義的。

通常情況下，mcm69c232通過寫控制口數據和指令來準備匹配操作，一般步驟是把數據項裝入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表的內容可能會被修改，標志寄存器的相應位會被置位，錯誤代碼寄存器會返回錯誤碼，當使能時，還會觸發(fā)中斷。

芯片的操作指令如表1所列。

復位。復位同步于主時鐘的上升沿，一個時鐘周期的復位就能清空cam表和輸入數據項隊列，置標志寄存器為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信號裝載匹配數據，ll信號無用，另一種是匹配字節(jié)大于32位，先用ll信號裝載匹配數據低位部分，再由lh/sm信號裝載高位部分，匹配結果由mc信號和ms信號指示，使能g信號讀取匹配結果數據，匹配口時序參見參考文獻[1]。

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

深度擴展。芯片簡單級聯即可擴展深度，具體的擴展連接方法請參見參考文獻[1]。

3 mcm69c232芯片的應用

3.1 mcm69c232在交換機中的應用

在以太網上，交換機維護一張用于二層交換的地址表（通常稱為"cam表"），該表維護mac地址與出接口的對應關系，這樣每當接收到一個以太網數據幀，交換機就會進行判斷，如果該數據幀不是發(fā)送給自己的，則根據數據幀的目的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地址對應的轉發(fā)項），則根據查詢的結果（通常是一個出接口列表）進行轉發(fā)；如果不能命中，則向所有端口廣播該數據幀。

交換機的這張cam表可以通過多種方式獲得，比如靜態(tài)匹配、動態(tài)學習。針對多播，還可以通過各種多播協議（如igmp窺探、gmrp協議等方式）獲得（多播轉發(fā)表不能通過學習獲得，而且多播轉發(fā)項跟普通轉發(fā)項不同，與其對應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)學習。

當交換機接收到一個數據幀時，提取出該數據幀的目的mac地址，并以此為根據進行cam表查詢，如果能查找到結果，則根據結果進行數據幀的轉發(fā)，如果不能命中，則對除接收端口外的所有端口進行復制。在進行數據轉發(fā)的同時，交換機還進行一個學習的過程，它把數據幀的源mac地址提取出來，查詢cam表，看cam表中是否有針對該mac地址的轉發(fā)項，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，這樣當接收到一個發(fā)送到該mac地址的數據幀時，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，數據幀的轉發(fā)是依據目的mac地址查詢mac表，而cam表的學習則是以源mac地址為依據的。

之所以在交換機中使用cam，是因為交換機對性能要求特別高， 交換機中的嵌入式實時控制系統(tǒng)的性能主要取決于兩方面：硬件平臺的運算性能和算法優(yōu)越性，其中，硬件平臺的運算性能最為關鍵，這一點在交換機中表現的尤為突出，按照設計要求，以太網幀的mac地址的檢索時間一般都是μs級，因此首先要保證數據檢索任務的響應速度；除了十分繁重的數據檢索任務外，交換機還必須完成snmp（simple network management protocol）協議處理、命令行處理等任務，所以還必須解決數據檢索對系統(tǒng)資源的占用問題，利用軟件實現對以太網幀的mac地址檢索并不復雜，但由于檢索次數頻繁，大量的系統(tǒng)資源被占用，致使系統(tǒng)的響應速度大大降低，滿足不了大流量數據通信的要求，因此純軟件算法解決不了數據檢索部分占用大量資源的問題，為提高系統(tǒng)的響應速度，必須將數據檢索的任務分離出來由硬件實現，而協議處理部分仍由cpu完成，數據檢索模塊和協議處理模塊并行工作，利用硬件實現數據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)勢就體現出來了。

3.2 檢索操作

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

按協議規(guī)定mac地址占48位，表示為6字節(jié)的數組，故對于mac地址的匹配操作，屏蔽字設為0x0000_0000_0000_ffff，即48位匹配，屏蔽字的設定必須在cam初始化時完成，在執(zhí)行匹配操作前，cam須進行初始化，mcm69c232上電后，默認工作模式為基本模式，因此不必再設置工作模式，前面已提到過，cam中mac表的形成是通過自學習得到的，因此無需向cam表中寫入數據項。

匹配操作通過對匹配口讀/寫來完成，匹配口數據線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地址表達出來，當進行mac地址檢索時，cpu先向匹配口寫入mac地址的低32位數據，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位數據，隨后cpu讀匹配口，即可得到匹配結果。

結語

采用內容可尋址存儲器mcm69c232，極大的提高了數據檢索速度，而這是用純軟件緊縮算法所不能比擬的，設備的數據處理能夠滿足了大流量網絡通信的要求，使產品獲得了良好的社會效益和經濟效益。