內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器MCM69C232及其應(yīng)用
關(guān)鍵詞 CAM 數(shù)據(jù)檢索 內(nèi)容可尋址 MCM69C232
內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器CAM(Coment-Addressable Memo-ry)是以內(nèi)容進(jìn)行尋址的存儲(chǔ)器，是一種特殊的存儲(chǔ)陣列RAM。它的主要工作機(jī)制就是將一個(gè)輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)與存儲(chǔ)在CAM中的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)自動(dòng)同時(shí)進(jìn)行比較，判別該輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)與CAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)項(xiàng)是否相匹配，并輸出該數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的匹配信息。美國(guó)Motorola公司的CAM芯片MCM69C232在市場(chǎng)上是性價(jià)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(shí)別等領(lǐng)域，其用于數(shù)據(jù)檢索的優(yōu)勢(shì)是軟件無(wú)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(chǔ)器(CAM)從本質(zhì)上講是一種基于RAM技術(shù)的特殊存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)在CAM內(nèi)部的陣列單元中。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)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(guò)字寬和深度來(lái)表征。MCM69C232設(shè)計(jì)可存儲(chǔ)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(controlport)和匹配端口(match port)?？刂贫丝谟糜谔幚砥?CPU)對(duì)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(guò)匹配端口完成。
盡管基于RAM技術(shù)，但CAM的存儲(chǔ)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(méi)有用于確定內(nèi)容存儲(chǔ)單元的地址總線，其地址線A0～A2用于對(duì)片內(nèi)控制寄存器的尋址。處理器通過(guò)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(xiàng)，數(shù)據(jù)項(xiàng)的存儲(chǔ)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(duì)ATM信元進(jìn)行虛擬通路標(biāo)識(shí)號(hào)／虛擬通道標(biāo)識(shí)號(hào)(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(shí)間；
◇設(shè)有屏蔽寄存器；
◇通過(guò)芯片級(jí)聯(lián)擴(kuò)展深度；
◇時(shí)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(shí)匹配；
◇端口主要分為控制和匹配端口；
◇20Ons的插入時(shí)間(在12個(gè)輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)隊(duì)列未滿的情況下)；
◇12ms的初始化時(shí)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(cè)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(xiàng)相比較。無(wú)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(Mateh Successful)引腳有效，同時(shí)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(méi)有找到，則MQ總線保持高阻態(tài)，以便級(jí)聯(lián)CAM芯片來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)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(gè)啟動(dòng)操作過(guò)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(dòng)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(duì)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(dòng)匹配操作花費(fèi)的時(shí)間中取個(gè)平衡?？焖賹懭肽Ｊ剑Ｓ糜趯⒋罅康臄?shù)據(jù)項(xiàng)初始寫入CAM表中；而動(dòng)態(tài)寫入模式，則常用于啟動(dòng)匹配后往CAM表中插入少量的數(shù)據(jù)項(xiàng)。用戶通過(guò)操作控制口4個(gè)I／O寄存器來(lái)插入或刪除CAM表項(xiàng)，當(dāng)有異常狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，可以從標(biāo)志寄存器和錯(cuò)誤代碼寄存器反映出來(lái)。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(duì)應(yīng)位作匹配操作；為1，則對(duì)應(yīng)位無(wú)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(guò)32位，則是無(wú)意義的。
通常情況下，MCM69C232通過(guò)寫控制口數(shù)據(jù)和指令來(lái)準(zhǔn)備匹配操作。一般步驟是把數(shù)據(jù)項(xiàng)裝入4個(gè)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(huì)被修改，標(biāo)志寄存器的相應(yīng)位會(huì)被置位，錯(cuò)誤代碼寄存器會(huì)返回錯(cuò)誤碼，當(dāng)使能時(shí)，還會(huì)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(shí)鐘的上升沿，一個(gè)時(shí)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(cuò)誤代碼寄存器為FFFF，幾乎滿寄存器為FFF，并清除中斷屏蔽。
控制口時(shí)序。訪問(wèn)控制口如同處理器訪問(wèn)RAM一樣，時(shí)序較為簡(jiǎn)單。
匹配口時(shí)序。訪問(wèn)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(hào)裝載匹配數(shù)據(jù)，LL信號(hào)無(wú)用；另一種是匹配字節(jié)大于32位，先用LL信號(hào)裝載匹配數(shù)據(jù)低位部分，再由LH／SM信號(hào)裝載高位部分。匹配結(jié)果由MC信號(hào)和MS信號(hào)指示，使能G信號(hào)讀取匹配結(jié)果數(shù)據(jù)。匹配口時(shí)序參見參考文獻(xiàn)。
兩口同時(shí)匹配?？刂瓶谀M匹配和匹配口匹配同時(shí)進(jìn)行時(shí)，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(jiǎn)單級(jí)聯(lián)即可擴(kuò)展深度，具體的擴(kuò)展連線方法請(qǐng)參見參考文獻(xiàn)。
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(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣每當(dāng)接收到一個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，交換機(jī)就會(huì)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(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng))，則根據(jù)查詢的結(jié)果(通常是一個(gè)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(guò)多種方式獲得，比如靜態(tài)配置、動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。針對(duì)多播，還可以通過(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)的出口可能不只一個(gè)，而是一個(gè)出口集合)；但對(duì)于單播，最重要的一種建立方式是動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。
當(dāng)交換機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，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(duì)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(shí)，交換機(jī)還進(jìn)行一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程。它把數(shù)據(jù)幀的源MAC地址提取出來(lái)，查詢CAM表，看CAM表中是否有針對(duì)該MAC地址的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)。如果沒(méi)有，則把該MAC地址和接收到該MAC地址的端口綁定起來(lái)，插入CAM表項(xiàng)。這樣當(dāng)接收到一個(gè)發(fā)送到該MAC地址的數(shù)據(jù)幀時(shí)，就不需要向所有端口廣播，而僅向這個(gè)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(jī)中使用CAM，是因?yàn)榻粨Q機(jī)對(duì)性能要求特別高。交換機(jī)中的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的性能主要取決于兩方面：硬件平臺(tái)的運(yùn)算性能和算法的優(yōu)越性。其中，硬件平臺(tái)的運(yùn)算性能最為關(guān)鍵，這一點(diǎn)在交換機(jī)中表現(xiàn)得尤為突出。按照設(shè)計(jì)要求，以太網(wǎng)幀的MAC地址的檢索時(shí)間一般都是μs級(jí)，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 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(duì)系統(tǒng)資源的占用問(wèn)題。利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wèn)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(lái)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(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。
3．2 檢索操作
當(dāng)進(jìn)行MAC地址檢索時(shí)，CPU首先以MAC地址為關(guān)鍵字通過(guò)MAC-CAM表的檢索得到對(duì)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(duì)應(yīng)的相關(guān)信息的存儲(chǔ)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(duì)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(shí)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(guò)，CAM中MAC表的形成是通過(guò)自學(xué)習(xí)得到的，因此無(wú)需向CAM表中寫入數(shù)據(jù)項(xiàng)。
匹配操作通過(guò)對(duì)匹配口讀／寫來(lái)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(gè)MAC地址表達(dá)出來(lái)。當(dāng)進(jìn)行MAC地址檢索時(shí)，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(yǔ)
采用內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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