三态内容寻址存储器(TCAM)工作原理

1、文档来源为：从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持CAM是ContentAddressableMemory的缩写，即“内容寻址存储器”的意思，它是在传统的存储技术的基础上实现的联想记忆存储器，关于CAM的基本操作有三种：1) .写操作：输入地址和数据，将数据写到指定的地址上，写入速度与RAM相同；2) .读操作：输入地址，返回该地址上的数据，读取速度与RAM相同；3) .查找操作：输入待查数据，返回该数据被存储的地址。这也是CAM的最主要用途，它能够从巨大的数据库中进行快速查找，并且返回最佳的匹配地址，最快查找速度能达到每秒一亿次以上。TCAM是TernaryContentAddre

2、ssableMemory的缩写，即“三态内容寻址存储器”的意思，它是从CAM的基础上发展而来的。一般的CAM存储器中每个bit位的状态只有两个，“0”或“1"，而TCAM中每个bit位有三种状态，除掉“0”和“1”外，还有一个"don'tcare状态，所以称为“三态”，它是通过掩码来实现的，正是TCAM的这个第三种状态特征使其既能进行精确匹配查找，又能进行模糊匹配查找，而CAM没有第三种状态，所以只能进行精确匹配查找。TCAM器件的生产厂商主要有CypressIDT和Netlogic三家。这三家分别将TCAM器件称作NetworkSearchEngine(NSE、N

3、etworkSearchAccelerator(NSA)和Knowledge-basedProcessor(KBP)TCAM器件在通信领域种有非常广泛的应用，主要有：1) .ATMSwitching设备中的VCI/VPI转发和ATM-to-MPLSorATM-to-TCP-Flow地址映射表项的存储和查找；2) .EthernetSwitching设备中的二层MAC地址、ARP/RARP解析和三层IP路由表项的存储和查找；3) .EmergingProtocolsandfunctions方面的MPLSlabel表项的存储和查找；4) .PacketClassification业务中的Enfor

4、cesecuhty、Enforcedepartmentalpolicies和QOS检测表项的存储和查找；5) .安全防护设备中的FIB/LBT、MFIB及ACL表项存储和查找。传统的表项查找方法有很多，主要有：线型查找法、二叉树查找法、哈希表查找等，这些查找方法都是基于SRAM的软件查找方法，共同特点是查找速度慢。线型查找法需要遍历表中的所有表项；二叉树查找法需要遍历树中大多数节点，而且查找速度受树的深度影响较大；哈希表查找法是软件查找中计较快的一种方法，它是根据设定的哈希函数H(key)和处理冲突方法将一组关键字映象到一个有限的地址区间上，并以关键字在地址区间中的象作为记录在表中的存储位置，

5、这种表称为哈希表或散列，所得存储位置称为哈希地址或散列地址。虽然哈希表查找法相对来说比较快，但还是满足不了高速实时通信系统(如40G/100GPOS)的极速查找需求。基于硬件的TCAM查找法正是在这种背景下提出的，用此方法进行查找时，整个表项空间的所有数据在同一时刻被查询，查找速度不受表项空间数据大小影响，每个时钟周期完成一次查找，平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍，最坏情况下，能达到128倍。TCAM器件的硬件设计方式一般有三种，如下图所示：网络处理器NP从报文头中把需要查找的信息提取出来，这个待查找的信息要整理成跟TCAM所存表项的格式一致，称之为KEY。KEY作为TCAM的输入数据

6、，经过与表项对照，如果有匹配的表项，就把该表项所在的地址作为输出，称之为Index。然后将Index作为RAM的地址输入，从RAM里得到所需查找的信息，称之为Data。最后将Data返回给发起查找操作的NP,至此完成一次查找操作。下图为TCAM在高端路由器中的应用及查找过程。CAM和TCAM的基本存储单元如下图所示：下面以Netlogic的TCAM器彳NL101024为例，介绍下TCAM器件的各管脚功能：1) .DBUS71:0:KEY输入总线，共72根，与TCAM表项宽度相同(TCAM基本表项位宽为72位，32位源IP地址+32位目的IP地址+8位端口地址)，IDT公司已开始推出用于IPV6

7、的80位宽度TCAM器件；2) .RBUS49:0:查询结果Result返回总线，50位宽；3) .IBUS7:0:指令总线；4) .CLK:系统时钟，上升沿有效；5)CLK0:输出时钟，读数据和比较数据时使用；6) .CE#:片选信号；7) .RST#芯片复位信号；8) .ODS-0/1:数据总线输出驱动选择信号；9) .SMF3:0:系统匹配错误标识信号；10) .RV:结果有效信号；11) .RFSL:只在HSTL/SSTL-2电平时使用，此时，RFSL=0表示使用内部参考电压VDDQ/2,RFSL=1时表示由外部管脚VREF提供参考电压。使用LVCMOS电平时，该管脚直接接地；12) .VREF4:1:参考电影，为HSTL