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(Coment-Addressable Memo-ry)以內(nèi)容進(jìn)行尋址的存儲器，是一種特殊的存儲陣列RAM。它的主要工作機制就是將一個輸入數(shù)據(jù)項與存儲在CAM中的所有數(shù)據(jù)項自動同時進(jìn)行比較，判別該輸入數(shù)據(jù)項與CAM中存儲的數(shù)據(jù)項是否相匹配，并輸出該數(shù)據(jù)項對應(yīng)的匹配信息。美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，可以極大地提高系統(tǒng)性能。

　　1 MCM69C232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)項存儲在CAM內(nèi)部的陣列單元中。每個數(shù)據(jù)項的位數(shù)稱為“字寬”，陣列內(nèi)所有數(shù)據(jù)項的條數(shù)稱為“深度”，CAM的容量通過字寬和深度來表征。MCM69C232設(shè)計可存儲4096條寬度為64位的數(shù)據(jù)項。

　　MCM69C232有兩組數(shù)據(jù)端口：控制端口(controlport)和匹配端口(match port)?？刂贫丝谟糜谔幚砥?CPU)對CAM表的操作，包括插入、刪除數(shù)據(jù)表項、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～DQl5)可以讀/寫CAM表中的數(shù)據(jù)項，數(shù)據(jù)項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：

　　◇160 ns的匹配時間;

　　◇設(shè)有屏蔽寄存器;

　　◇通過芯片級聯(lián)擴展深度;

　　◇時鐘頻率最高為50 MHz;

　　◇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;

　　◇20Ons的插入時間(在12個輸入數(shù)據(jù)項隊列未滿的情況下);

　　◇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讀取輸入數(shù)據(jù)并與CAM表中的所有表項相比較。無論匹配項找到與否，當(dāng)比較完成后，MC(Match Complete)引腳均有效。如果找到了匹配項，則MS(Mateh Successful)引腳有效，同時在MQ總線上輸出與匹配數(shù)據(jù)項相關(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(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?？焖賹懭肽Ｊ?，常用于將大量的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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映出來。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)項隊列，置標(biāo)志寄存器為1C，錯誤代碼寄存器為FFFF，幾乎滿寄存器為FFF，并清除中斷屏蔽?？刂瓶跁r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)。匹配口時序見參考文獻(xiàn)。

　　兩口同時匹配?？刂瓶谀M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列為空，以便接收結(jié)果。深度擴展。芯片簡單級聯(lián)即可擴展深度，具體的擴展連線方法請參見參考文獻(xiàn)。

　　3 MCM69C232芯片的應(yīng)用

　　3.1 MCM69C232在交換機中的應(yīng)用

　　在以太網(wǎng)上.交換機維護(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。樣每當(dāng)接收到一個以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，交換機就會進(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)，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。

　　交換機的這張CAM表可以通過多種方式獲得，比如靜態(tài)配置、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)項跟普通轉(zhuǎn)發(fā)項不同，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。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(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CAM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的優(yōu)越性。其中，硬件平臺的運算性能最為關(guān)鍵，這一點在交換機中表現(xiàn)得尤為突出。按照設(shè)計要求，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，交換機還必須完成SNMP(Simple Network Management Pmtocol)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，

　　必須將這數(shù)據(jù)檢索的任務(wù)分離出來由硬件實現(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，并由此地址獲得相關(guān)配置信息。在RAM中的相關(guān)配置信息中可以存放諸如MAC地址、用戶端口、有效標(biāo)志域等其他信息。CAM表與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。

　　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，極大地提高了數(shù)據(jù)檢索速度.而這是用純軟件檢索算法所不能比擬的。設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力滿足了大流量網(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)濟效益。