三态内容寻址存储器tacm介绍

TCAM基础知识培训

2021/6/271课程内容第一章：TCAM基础第二章：TCAM芯片介绍第三章：附录2021/6/272课程内容第一章：TCAM基础

第1节：什么是CAM和TCAM第2节：TCAM的查找第3节：TCAM的优势第4节：TCAM的基本组成第5节：“三态”和最高优先级匹配2021/6/273什么是CAMCAM:ContentAddressableMemory，内容寻址存储器。一个并行比较处理器，也被称作NSE(NetworkSearchEngine)能够象RAM一样进行写操作：输入地址和数据，将数据写到指定的地址上。能够象RAM一样进行读操作：输入地址，返回该地址上的数据。查找操作：输入（待查）数据，返回该数据被存储的地址。

这是CAM的主要用途，它能够从巨大的Database中进行快速查找，并返回最佳匹配的地址。2021/6/274什么是TCAMTCAM:TernaryContentAddressableMemory,三态内容寻址存储器。一般CAM存储器中每一bit的状态只有两个，非“0”即“1”；TCAM中每bit数据还有第三种状态“don’tcare”，所以称为“三态”，它是通过掩码来进行实现的。目前主要的供应商有：Netlogic、Cypress、IDT。

2021/6/275查找系统CAM在系统中的位置：PHYFramerTrafficManagerASIC或者NPUTCAMAssociatedDataRAM（optional)

CAM和网络处理器(NP)一起完成数据包的分类、路由查找等功能，充当搜索引擎单元.2021/6/276课程内容第一章：TCAM基础第1节：什么是CAM和TCAM

第2节：TCAM的查找第3节：TCAM的优势第4节：TCAM的基本组成第5节：“三态”和最高优先级匹配2021/6/277TCAM子系统的查找过程NPU/ASICRAMTCAMKEYINDEXDATA一个典型的TCAM子系统的查找过程：准备查找：

NP从报文头提取信息，整理成与TCAM中待查表一致的数据格式，称为Key。查找：

将Key送入TCAM与待查表中的所有表项对照，匹配到后将对应地址INDEX送到

RAM中。查找后的处理：

最后

RAM将对该报文的处理信息

DATA返回给NP。

2021/6/278TCAM的应用范围之一ATMswitching

VCI/VPItranslationATM-to-MLPSorATM-to-TCP-FlowmappingEthernetswitchinglayer2MACaddresssearchesAddressResolutionProtocol(ARP)EmergingProtocolsandfunctions

MPLSlabelsearches2021/6/279两个典型应用之路由查找IPPACKETROUTER?ROUTERROUTERROUTERR3R5R4IPPACKETPROTOCOLTYPEIPSRCADDRIPDESTADDRSRCPORT#DESTPORT#DATA查找Key:R3路由表：R4R5根据目的地址查找下一跳：下一跳？TCAMRAMINDEXPACKETTOR42021/6/2710TCAM的应用范围之二PacketClassification:

EnforcesecurityEnforcedepartmentalpoliciesQualityofService

包的分类可以决定这个包是否应该被转发，如果要被转发，要给予什么样的优先级。

2021/6/2711两个典型应用之包分类处理报文处理策略选择：

Telnet和FTP给予了不同的服务等级；SMTP(email)被某一个特定的服务器截收了（安全问题）；*2***225.142.11.*TCP252321LowpriorityDenyLowlatency源地址目的地址协议端口处理策略TCPTCPIPPACKETROUTERTelnetFTPSMTPIPPACKETIPPACKET?如何处理？TCAMSRAM2021/6/2712TCAM基础知识培训第一章：TCAM基础第1节：什么是CAM和TCAM第2节：TCAM的查找

第3节：TCAM的优势第4节：TCAM的基本组成第5节：“三态”和最高优先级匹配2021/6/2713为什么需要TCAM疑问：

上面所说的功能不用TCAM就能实现，为什么要还要TCAM呢？答案就是：

速度！

2021/6/2714传统的查找方法基于SRAM的的查找方法：

软件算法的实现方式1.线性查找AFCD1122CCDDAAAASRAMaddressdata2.二叉树查找3.HASH查找……..2021/6/2715基于CAM的查找基于TCAM的查找：基于硬件的实现，整个表空间Database在同一时刻被查询：

1*0101*0110000111011100111000010101011000010*11031245110110***Keyword:TCAM:Add=4AssociatedDATARAM匹配4DATA2021/6/2716TCAM的优势TCAM的优势：单周期查找；平均查找速度是基于SRAM算法查找的6倍；最坏情况下，查找速度提高128倍；

2021/6/2717TCAM基础知识培训第一章：TCAM基础第1节：什么是CAM和TCAM第2节：TCAM的查找第3节：TCAM的优势

第4节：TCAM的基本组成第5节：“三态”和最高优先级匹配2021/6/2718CAM和Memory的基本单元SRAM的基本单元：2021/6/2719CAM的基本单元CAM的基本单元：2021/6/2720TCAM的基本单元TCAM的基本单元：2021/6/2721TCAM基础知识培训第一章：TCAM基础第1节：什么是CAM和TCAM第2节：TCAM的查找过程第3节：TCAM的优势第4节：TCAM的基本组成

第5节：“三态”和最高优先级匹配2021/6/2722表项掩码

表项掩码（三态的实现方式）：TCAM的基本单元为待查找的表项，每个表项包括表项数据DataWord、表项掩码LocalMask。LocalMask某位为1（有的厂商规定是0）时，相对应的DataWord位被屏蔽，不参与比较。10010010DataWordLocalMask1*01001001000000表项：等效于*表示“donotcare”2021/6/2723精确匹配精确匹配：

不使用掩码，所有的掩码位是0，进行精确匹配。

10010101110010111011100111000111101110000011011031245110110111Key:logicWinnerABCDEF2021/6/2724最高优先级匹配1001010111001011101110011100011110111*000****11031245110110111Key:logicWinnerTCAM的最高优先级匹配功能：

由于有“don’tcare”即三态的存在，所以一个Key值可能有多个匹配。

当一个Key存在多个匹配的时候，匹配经过逻辑单元比较返回匹配程度最高的表项。(在IPV4路由中经常出现)ABCDEF2021/6/2725课程内容第二章：TCAM芯片介绍

第1节：几种TCAM芯片介绍第2节：NL3280介绍第3节：Netlogic和IDT的Roadmap

2021/6/2726几种TCAM芯片介绍生产厂商型号容量接口类型最大查找速度CypressNSE10K18MNSE266MSPSCypressNSE20K18MLA-1266MSPSNetlogicNL328018MNSE133MSPSNetlogicNSE551218MNSE133MSPSIDT75S10010A10MNSE250MLPSIDT75K7223418MLA-1250MLPS2021/6/2727课程内容第二章：TCAM芯片介绍

第1节：几种TCAM芯片介绍

第2节：NL3280介绍第3节：Netlogic和IDT的Roadmap

2021/6/2728NL3280的结构NL3280是Netlogic公司生产的18Mbit的TCAM芯片，芯片结构图如下：2021/6/2729NL3280与NP的连接结构TCAMRAMNPU/ASICKEYDATAADDRINDEX1、NP将要查找的数据Key送到TCAM中，2、TCAM找到匹配项后将地址INDEX直接返回给NP,3、NP再用地址ADDR(可能经过转换)在RAM中读取所需数据2021/6/2730NL3280的信号NetlogicNL3280的主要接口信号有：数据总线DBUS[71:0]:数据（地址）的输入与输出指令总线IBUS[7:0]:指令输出。结果返回总线RBUS[24:0]:返回查找的结果。NetlogicNL3280几个特殊信号有：RD_ACK:读操作时指示数据总线上的数据有效。SMF_L[0]:系统匹配标志位。RV:结果有效位，指示RBUS上的数据有效2021/6/2731NL3280的DatabaseNL3200内部可以分为16个独立的block，每个block可以配置成16Kx72bit，8Kx144bit，4Kx288bit，2kx576bit；2021/6/2732DatabaserecordNL3280中的基本单元是表项，每个表项包括一个72bit的DataWord数据项和一个LocalMaskWord的掩码项。当掩码为“1”时相对应的数据位不参与比较。

此外还有一位校验位Parity和一位有效位VBIT,当VBIT为1时表示此表项无效果，不参加比较操作。2021/6/2733块结构每一个Block有8个块掩码寄存器，块掩码寄存器用来屏蔽所在列的数据，当块掩码寄存器设置为1时，相对应的整列都被屏蔽。2021/6/2734NL3280的寄存器块设置寄存器BCR：用来设置逻辑表ID和位宽;块掩码寄存器BMR:用来设置块掩码；数据寄存器DR：用来写入搜索的关键字和数据，是个只写寄存器；设备ID寄存器DIR：用来设置设备的ID号；逻辑表寄存器LTR:用来设置逻辑表ID、逻辑表ID掩码、和选择块掩码；结果寄存器RR:保存返回的INDEX和ID号等，是个只读寄存器；设备配置寄存器DCR:存储版本号、容量等芯片相关信息。NL3200的主要寄存器有：2021/6/2735NL3280的初始化初始化的要求步骤如下：Setp1保持RST_L信号为低至少200个时钟周期；Setp2将RST_L拉高，发出20,000个NOP命令；Setp3写器件ID寄存器；Setp4写器件配置ID寄存器；Setp5如果器件级联，则运行指令0X01(使能下个器件)，和0X00（nop指令）

Setp6重复第三到五步;Setp7写Block寄存器，设置逻辑表ID和位宽配置；Setp8写BlockMask寄存器；2021/6/2736NL3200的初始化Step9写LogicalTable寄存器，设置逻辑表ID、逻辑表ID掩码和被选择的BlockMask;Step10写入并定义所有的表项数据和掩码；Step11发比较操作指令。2021/6/2737NL3280的基本操作NL3280的基本操作：

读操作：和RAM类似，地址和数据在DBUS总线上复用；写操作：和RAM类似；查找操作：TCAM的主要操作，用户提供待查数据，TCAM返回储存此数据的地址2021/6/2738读操作读操作：可以分为三种类型，读寄存器，读表项数据，读表项掩码，对应IBUS[7:0]的值如下表。读操作主要用于从TCAM中读取表项和寄存器的内容，通过IBUS总线向TCAM发出读操作码，通过DBUS送地址到TCAM中，读的结果由DBUS返回2021/6/2739读操作当LocalMaskWord位是1的时候，相应的DataWord位读出的数据总是0，如下表所示：2021/6/2740读操作读操作的时序：2021/6/2741写操作写操作：写操作比较特殊，分为寄存器、删除表项、写表项操作。对应的指令如下表所示：2021/6/2742写操作写寄存器：202