內容可尋址存儲器MCM69C232及其應用

　　內容可尋址存儲器CAM(Coment-Addressable Memo-ry)以?xún)热葸M(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(gè)輸入數據項與存儲在CAM中的所有數據項自動(dòng)同時(shí)進(jìn)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Motorola公司的CAM芯片MCM69C232在市場(chǎng)上是性?xún)r(jià)比較高的產(chǎn)品，因而被廣泛地應用于網(wǎng)絡(luò )通信、模式識別等領(lǐng)域，其用于數據檢索的優(yōu)勢是軟件無(wú)法比擬的，可以極大地提高系統性能。

　　1 MCM69C232芯片介紹

　　內容可尋址存儲器(CAM)從本質(zhì)上講是一種基于RAM技術(shù)的特殊存儲器，數據項存儲在CAM內部的陣列單元中。每個(gè)數據項的位數稱(chēng)為“字寬”，陣列內所有數據項的條數稱(chēng)為“深度”，CAM的容量通過(guò)字寬和深度來(lái)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(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(guò)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的結構框圖。圖中MCM69C232沒(méi)有用于確定內容存儲單元的地址總線(xiàn)，其地址線(xiàn)A0～A2用于對片內控制寄存器的尋址。處理器通過(guò)操作MCM69C232的控制端口(數據線(xiàn)DQ0～DQl5)可以讀/寫(xiě)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A(yíng)TM交換機對ATM信元進(jìn)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(wǎng)上的IP/MAC地址匹配等數據檢索。

　　MCM69C232芯片的主要特性如下：

　　◇160 ns的匹配時(shí)間;

　　◇設有屏蔽寄存器;

　　◇通過(guò)芯片級聯(lián)擴展深度;

　　◇時(shí)鐘頻率最高為50 MHz;

　　◇匹配字寬和輸出結果位寬可自定義;

　　◇在A(yíng)TM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)輸入數據項隊列未滿(mǎn)的情況下);

　　◇12ms的初始化時(shí)間(在設置了快速寫(xiě)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讀取輸入數據并與CAM表中的所有表項相比較。無(wú)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(Mateh Successful)引腳有效，同時(shí)在MQ總線(xiàn)上輸出與匹配數據項相關(guān)的數據;如果沒(méi)有找到，則MQ總線(xiàn)保持高阻態(tài)，以便級聯(lián)CAM芯片來(lái)擴展存儲深度。

　　MCM69C232上電后，默認工作模式為基本模式。在進(jìn)入數據檢索操作之前，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(xiě)入模式，即快速寫(xiě)入模式還是動(dòng)態(tài)寫(xiě)入模式;再次，要把用戶(hù)需要的數據項(共64位，包括匹配字節和與其對應的輸出結果字節)逐次裝入CAM表中。

　　CAM表數據項寫(xiě)入模式的選擇，往往是在寫(xiě)入速度和啟動(dòng)匹配操作花費的時(shí)間中取個(gè)平衡?？焖賹?xiě)入模式，常用于將大量的數據項初始寫(xiě)入CAM表中;而動(dòng)態(tài)寫(xiě)入模式，則常用于啟動(dòng)匹配后往CAM表中插入少量的數據項。用戶(hù)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，當有異常狀態(tài)出現時(shí)，可以從標志寄存器和錯誤代碼寄存器反映出來(lái)。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(wú)需匹配。典型的應用中用戶(hù)總是把數據項的高位序位定義為“待匹配字節”，低位序位定義為“結果輸出字節”。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(xiàn)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超過(guò)32位，則是無(wú)意義的。

　　通常情況下，MCM69C232通過(guò)寫(xiě)控制口數據和指令來(lái)準備匹配操作。一般步驟是把數據項裝入4個(gè)I/O寄存器，然后往操作代碼寄存器寫(xiě)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(huì )被修改，標志寄存器的相應位會(huì )被置位，錯誤代碼寄存器會(huì )返回錯誤碼，當使能時(shí)，還會(huì )觸發(fā)中斷。芯片的操作指令如表1所列。

　　復位。復位同步于主時(shí)鐘的上升沿，一個(gè)時(shí)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(mǎn)寄存器為FFF，并清除中斷屏蔽?？刂瓶跁r(shí)序。訪(fǎng)問(wèn)控制口如同處理器訪(fǎng)問(wèn)RAM一樣，時(shí)序較為簡(jiǎn)單。

　　匹配口時(shí)序。訪(fǎng)問(wèn)匹配口分兩種情況：一種是匹配字節小于等于32位，只用LH/SM信號裝載匹配數據，LL信號無(wú)用;另一種是匹配字節大于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(shí)序見(jiàn)參考文獻。

　　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(jiǎn)單級聯(lián)即可擴展深度，具體的擴展連線(xiàn)方法請參見(jiàn)參考文獻。

　　3 MCM69C232芯片的應用

　　3.1 MCM69C232在交換機中的應用

　　在以太網(wǎng)上.交換機維護一張用于二層交換的地址表(通常稱(chēng)為“CAM表”)，該表維護MAC地址與出接口的對應關(guān)系。樣每當接收到一個(gè)以太網(wǎng)數據幀，交換機就會(huì )進(jìn)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(xún)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(xún)的結果(通常是一個(gè)出接口列表)進(jìn)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(guò)多種方式獲得，比如靜態(tài)配置、動(dòng)態(tài)學(xué)習。針對多播，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(多播轉發(fā)表不能通過(guò)學(xué)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(gè)，而是一個(gè)出口集合);但對于單播，最重要的一種建立方式是動(dòng)態(tài)學(xué)習。

　　當交換機接收到一個(gè)數據幀時(shí)，提取出該數據幀的目的MAC地址，并以此為根據進(jìn)行CAM表查詢(xún)。如果能查找到結果，則根據結果進(jìn)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(jìn)行復制。在進(jìn)行數據轉發(fā)的同時(shí)，交換機還進(jìn)行一個(gè)學(xué)習的過(guò)程。它把數據幀的源MAC地址提取出來(lái)，查詢(xún)CAM表，看CAM表中是否有針對該MAC地址的轉發(fā)項。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。這樣當接收到一個(gè)發(fā)送到該MAC地址的數據幀時(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，數據幀的轉發(fā)是依據目的MAC地址查詢(xún)CAM表，而CAM表的學(xué)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(shí)時(shí)控制系統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(diǎn)在交換機中表現得尤為突出。按照設計要求，以太網(wǎng)幀的MAC地址的檢索時(shí)間一般都是μs級，因此首先要保證數據檢索任務(wù)的響應速度;除了十分繁重的數據檢索任務(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)，所以還必須解決數據檢索對系統資源的占用問(wèn)題。利用軟件實(shí)現對以太網(wǎng)幀的MAC地址檢索并不復雜，但由于檢索次數頻繁，大量的系統資源被占用，致使系統的響應速度大大降低，滿(mǎn)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(wèn)題，為提高系統的響應速度，

　　必須將這數據檢索的任務(wù)分離出來(lái)由硬件實(shí)現，而協(xié)議處理部分仍由CPU完成。數據檢索模塊和協(xié)議處理模塊并行工作，利用硬件實(shí)現數據檢索還可以提高檢索速度，降低系統資源的占用率。在這里CAM的優(yōu)勢就體現出來(lái)了。

　　3.2 檢索操作

　　當進(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(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(hù)端口、有效標志域等其他信息。CAM表與RAM的映射關(guān)系如圖3所示。

　　按協(xié)議規定MAC地址占48位，表示為6字節的數組，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(shí)完成。在執行匹配操作前，CAM須進(jìn)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(guò)，CAM中MAC表的形成是通過(guò)自學(xué)習得到的，因此無(wú)需向CAM表中寫(xiě)入數據項。

　　匹配操作通過(guò)對匹配口讀/寫(xiě)來(lái)完成。匹配口數據線(xiàn)MQ只有32位。由于MAC地址占48位，因此需要兩次寫(xiě)操作才能完整地將一個(gè)MAC地址表達出來(lái)。當進(jìn)行MAC地址檢索時(shí)，CPU先向匹配口寫(xiě)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(zhù)CPU向匹配口寫(xiě)入高32位數據;隨后CPU讀匹配口，即可得到匹配結果。

　　結語(yǔ)

　　采用內容可尋址存儲器MCM69C232，極大地提高了數據檢索速度.而這是用純軟件檢索算法所不能比擬的。設備的數據處理能力滿(mǎn)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)濟效益。