论内容可寻址存储器CAM在交换机中的应用

1、论内容可寻址存储器CAM在交换机中的应用关键词：CAM 数据检索 嵌入式实时控制系统 MAC RTOS内容可寻址存储器（ 是一种特殊的存储阵列。它具有将输入数据与中存储的所有数据项同时进行比较，迅速判断输入数据是否与中存储的数据项相匹配，并给出数据项对应地址和匹配信息的特点，因而被广泛地应用于通信、模式识别等领域。在某型号交换机的设计中，笔者应用公司的芯片实现数据检索功能，既提高了系统资源的利用率，又保障了系统性能，大大缩短开发周期。 功能简述是一种基于技术的存储器，数据项存储在内部的阵列中。每个数据项的位数叫字宽，阵列内所有数据项的条数叫做的深度，的容量通过字宽和深度来表征。可存储条宽度为

2、位的数据项。图所示为的结构框图。有两个数据端口：控制端口（ ）和匹配端口（ ）。控制端口用于表（ ）的操作，除用于数据项的增加删除、校验、统计外，还可以读取芯片内部状态寄存器的信息。数据的检索通过匹配端口完成。尽管基于技术，的存储机制却与大相径庭。如图所示，没有用于确定内容存储地址的地址总线，地址线用于对片内控制寄存器的寻址。在写模式下，从控制端口数据线读取需要写入的数据项，数据项的存储地址由芯片内部逻辑控制。用户可对的匹配规则进行编程，在读模式（查找匹配）时，直接从匹配口数据线读入数据，并按照预先定义的匹配规则将输入数据项与阵列中的所有数据项进行并行比较。如果数据项存在，匹配口输出该数据项的

3、索引值，且为；如果数据项不存在，为。由于比较过程只需一个时钟周期，所以速度极快。的最长匹配时间为。有两种工作模式：模式和基本模式。模式主要用于交换机中对信元的处理。基本模式的应用十分灵活，由于匹配规则可编程，用户可根据不同的应用场合实现检索功能。 应用实例 设计要求某型号交换机根据产品定义用于网络和基于以态网的城域网（ ）的连接。其端口工作速率为，以太网端口工作速率为。系统数据流如图所示。图2 交换机系统数据流图上行方向，交换机首先在系统内嵌的通道表内检查每一个信元内的虚通路值虚链接值（ ，标识一条虚通道虚链接）是否存在。如果存在，获得该的配置信息，准备下一步的协议处理。如果输入信元的不存在，

4、则丢弃该信元。输入的信元经协议处理后，包含在信元中的以太网帧被提取出来。交换机接着对以太网帧的源地址进行检索，判断该以太网帧是否来自已知的用户。如果在系统内嵌的表中检索到该地址，则表明该以太网帧来自已知的用户，系统随即刷新老化标记，将其转发至以太网接口；如果不存在，则系统将在表中添加该地址并设置老化标记，而后交换机将该以太网帧转发1234下一页 至以太网接口。下行方向，系统首先以输入以太网帧的目的地址为关键字在表中进行检索，该地址就是上文提到的源地址。如果目的地址不存在，则将输入的以太网帧转换为信元，向所有用户端口广播；如果匹配成功，交换机获得与该地址对应的，将以太网帧转换为信元，并根据通道表

5、，从指定的用户端口转发至终端，最后送达用户主机。嵌入式实时控制系统的性能主要取决于两方面：硬件平台的运算性能和算法的优越性。其中硬件平台的运算性能最为关键，这一点在交换机中表现得由为突出。按照设计要求，信元的检索必须在的信元接收时间内完成，即，以太网帧的地址的检索时间不能超过。因此首先要保证数据检索任务的响应速度；其次，由于交换机数据流量大，对于本系统的端口，系统每秒必须处理约，帧信元，数据检索任务十分繁重；另外，除了业务数据的双向协议处理外，交换机还必须完成（ ）协议处理、命令行处理等任务，所以还必须解决数据检索对系统资源的占用问题。提高性能的方法一般有两种，最直接的方法就是采用高性能的硬件

6、平台，如采用分布式控制系统，一个用于协议处理，另一个用于网管等事务处理；或者协议处理部分由完成，事务处理部分由实现。但这些方案会带来硬件成本的大幅提高。另外一种方案就是采用更优化的算法。通过分析发现，尽管利用软件实现对信元的和以太网帧的地址检索并不复杂，但由于检索次数频繁，大量的系统资源被占用，系统的响应速度大大降低，满足不了大流量数据通信的要求。因此纯软件算法解决不了数据检索部分对资源占用的问题。为提高系统的响应速度，必须将这两部分数据检索的任务分离出来由硬件实现，协议处理部分还由完成。数据检索模块和协议处理模块并行工作，两部分通过数据耦合，既可以提高模块的内聚度，又增强了算法的健壮性；并且

7、利用硬件实现数据检索还可以提高检索速度，降低系统资源的占用率。利用硬件进行数据检索，通常采用两种策略一种是利用或等可编程逻辑器件定制数据检索单元。本系统两种地址的数据结构并不复杂，定制简单数据结构的检索单元体现不了可编程逻辑器件功能强大、灵活性强等优越性，并且这类器件的开发难度相对较大，完成后还需要相当长一段时间进行测试。另一种策略是选择实现数据检索。两者比较，本系统采用。根据系统设计，本交换机采用两块实现数据检索功能，用于以太网帧的地址检索，用于信元的检索，如图所示。 检索算法设计下面根据系统设计方案，以表为例说明以太网侧数据检索功能的实现。如图所示，表由硬件、软件两个子模块构成。表实现地址

8、到偏移地址的查询，这部分由硬件实现；表实现偏移地址到配置信息的查询，这部分由软件实现；两者通过偏移地址耦合。本系统将每一个认为是一个用户端口，的值保存在用户端口域。当进行地址检索时，首先以地址为关键字通过表的检索得到对应的偏移地址，然后再根据公式（）得到表中该地址的存储位置，并由此地址获得相关配置信息。表中标志域、标志域分别表示用户地址的状态信息，限于篇幅这里不详述了。地址基地址 （）公式（）中，基地址是表的起始地址；是通过表查询得到的偏移量，即地址的索引值；表示表中的一个表项上一页1234下一页 的宽度为多少字节。与表的实现基本相同，通道表的实现也分为两部分，一部分由硬件实现，另一部分由软件

9、实现。执行检索时，先通过得到某的偏移地址，然后再根据该偏移地址得到表中保存的具体配置。正是通过表和通道表，本系统实现了网络与的交换。 检索算法的实现按协议规定地址占位，表示为字节的数组。图和图分别表示了表中地址的高位数据和低位数据的数据结构。图所示为地址索引项的数据结构，它分为两部分：最高位为匹配标志（），表示匹配成功，表示匹配失败；匹配输出的低位为地址的索引（），用户可按需要对其进行定义，如地址的索引值为。不同的协议要求，表的数据结构与表的数据结构并不相同。但由于处理方式相近，这里就不赘述了。的匹配规则由通用屏蔽字（ ）制定。进行检索时，将检索内容与通用屏蔽字进行按位或运算，表示屏蔽该位的值

10、，表示对该位敏感。从上文可看到，两种数据检索的数据结构大不相同，因此需要不同的匹配规则。根据本系统设计要求，信元的检索只对敏感，因此通用屏蔽字为，即忽略字段和地址标识段。对于地址的匹配操作，通用屏蔽字为，即位匹配。通用屏蔽字的设定必须在初始化时完成。在执行匹配操作前，须进行初始化。由于和的工作模式不同，因此两者的初始化过程亦不尽相同。下面以为例，用伪码形式说明初始化过程。（） ； ； ； ； ；对于，首先必须设定工作模式，工作于模式；然后对通用屏蔽字进行设置，以保证正确的匹配规则；紧接着，将设为快速输入模式（ ，当需要将大量数据写入时，该模式能加快输入速度），将预先定义好的 表写入；最后执行表初始化指令。至此，能够正常工作了。前面已提到，表的形成是通过自学习得到的，因此的初始化并不需要该过程。另外，工作在基本模式，上电后，默认工作模式为基本模式。因此的初始化只需要两步，通用屏蔽字的设置和表初始化。图4、图5和图6匹配操作通过对匹配口读写完成。匹配口数据线只有位。由于地址占位，因此需要两次写操作才能完整地将一个地址表达出来；而只占位，因此只需一次写操作就可以了。下面以地址的检索为例说明的匹配操作过程。当进行地址检索时，先向匹配口写入如图所示的低位数据，其中高位有效，低位可以为任意值；紧接着向匹配口写入如图