内容可寻址存储器MCM69C232及其应用

内容可寻址存储器cam（content-addressable memory）是以内容进行寻址的存储器，是一种特殊的存储阵列ram，它的主要工作机制就是将一个输入数据项与存储在cam中的所有数据项自动同时进行比较，判别该输入数据项与cam中存储的数据项是否相匹配，并输出该数据项对应的匹配信息，美国motorola公司的cam芯片mcm69c232在市场上是性价比较高的产品，因而被广泛地应用于网络通信，模式识别等领域，其用于数据检索的优势是软件无法比拟的，可以极大的提高系统性能。

1 mcm69c32芯片介绍

内容可寻址存储器（cam）从本质上讲是一种基于ram技术的特殊存储器，数据项存储在cam内部的阵列单元中，每个数据项中的位数称为"字宽"，阵列内所有数据项的条数称为"深度"，cam的容量通过字宽和深度来表征，mcm69c232设计可存储4096条宽度为64位的数据项。

mcm69c232有两组数据端口：控制端口（control port）和匹配端口（match port）。控制端口用于处理器（cpu）对cam表的操作，包括插入、删除数据表项、模式设置和模拟匹配，以及读取芯片内部状态寄存器的信息等，数据项的检索通过匹配端口完成。

尽管基于ram技术，但cam的存储机制却与ram大相径庭，图1为mcm69c232的结构框图，图中mcm69c232没有用于确定内容存储单元的地址总线，其地址线a0-a2用于对片内控制寄存器的寻址。处理器通过操作mcm69c232的控制端口（数据线dq0-dq15）可以读/写cam表中的数据项，数据项的存储地址由芯片内部逻辑控制。mcm69c232有两种工作模式：atm模式和基本模式。atm模式主要用于atm交换机对atm信元进行虚拟通路标识号/虚拟通道标识号（vpi/vci）的转换处理，基本模式主要用于以太网上的ip/mac地址匹配等数据检索。

mcm69c232芯片的主要特性如下：

160ns的匹配时间；

没有屏蔽寄存器；

通过芯片级联扩展深度；

时钟频率最高为50mhz；

匹配字宽和输出结果位宽可自定义；

在atm模式下可进行vpc（virtual path circuits）和vcc（virtual connection circuits）的同时匹配；

端口主要分为控制和匹配端口；

200ns的插入时间（在12个端口数据项队列未满的情况下）；

12ms的初始化时间（在设置了快速写入模式后）；

具有符合ieee标准1149.1的测试端口（jtag）。

2 mcm69c232芯片的使用

在基本操作模式下，mcm69c232的读取输入数据并与cam表中的所有表项相比较，无论匹配项找到与否，当比较完成后，mc（match complete）引脚均有效，如果找到了匹配项，则ms（match successful）引脚有效，同时在mq总线上输出与匹配数据项相关的数据，如果没有找到，则mq总线保持高阻态，以便级联cam芯片来扩展存储深度。

mcm69c232上电后，默认工作模式为基本模式，在进入数据检索操作之前，芯片必须先完成几个启动操作过程：首先，要设置全局屏蔽寄存器，定义匹配字宽和输出结果位宽；其次，要选择数据表项的写入模式，即快速写入模式还是动态写入模式；再次，要把用户需要的数据项（共64位，包括匹配字节和与其对应的输出结果字节）逐次装入cam表中。

cam表数据项写入模式的选择，往往是在写入速度和启动匹配操作花费的时间中取个平衡，快速写入模式，常用于将大量的数据项初始写入cam表中，而动态写入模式，则常用于启动匹配后往cam表中插入少量的数据项。用户通过操作控制口4个i/o寄存器来插入或删除cam表项，当有异常状态出现时，可以从标志寄存器和错误代码寄存器反应出来，mcm69c232内部的寄存器如图2所示。

mcm69c232芯片的主要特性如下：

160ns的匹配时间；

没有屏蔽寄存器；

通过芯片级联扩展深度；

时钟频率最高为50mhz；

匹配字宽和输出结果位宽可自定义；

在atm模式下可进行vpc（virtual path circuits）和vcc（virtual connection circuits）的同时匹配；

端口主要分为控制和匹配端口；

200ns的插入时间（在12个端口数据项队列未满的情况下）；

12ms的初始化时间（在设置了快速写入模式后）；

具有符合ieee标准1149.1的测试端口（jtag）。

2 mcm69c232芯片的使用

在基本操作模式下，mcm69c232的读取输入数据并与cam表中的所有表项相比较，无论匹配项找到与否，当比较完成后，mc（match complete）引脚均有效，如果找到了匹配项，则ms（match successful）引脚有效，同时在mq总线上输出与匹配数据项相关的数据，如果没有找到，则mq总线保持高阻态，以便级联cam芯片来扩展存储深度。

mcm69c232上电后，默认工作模式为基本模式，在进入数据检索操作之前，芯片必须先完成几个启动操作过程：首先，要设置全局屏蔽寄存器，定义匹配字宽和输出结果位宽；其次，要选择数据表项的写入模式，即快速写入模式还是动态写入模式；再次，要把用户需要的数据项（共64位，包括匹配字节和与其对应的输出结果字节）逐次装入cam表中。

cam表数据项写入模式的选择，往往是在写入速度和启动匹配操作花费的时间中取个平衡，快速写入模式，常用于将大量的数据项初始写入cam表中，而动态写入模式，则常用于启动匹配后往cam表中插入少量的数据项。用户通过操作控制口4个i/o寄存器来插入或删除cam表项，当有异常状态出现时，可以从标志寄存器和错误代码寄存器反应出来，mcm69c232内部的寄存器如图2所示。

cam表的匹配位取决于全局屏蔽寄存器的定义，屏蔽寄存器为0的位要求数据项的对应位作匹配操作；为1，则对应位无需匹配，典型的应用中用户总是把数据项的高位序位定义为"待匹配字节"，低位序位定义为"结果输出字节"。64位中的任何位都可以定义为"匹配操作"，但实际上输出到匹配口mq0-mq31总线上的总是最低32位数据，并非可任意编程输出的。如果设置的输出结果字节超过32位，则是无意义的。

通常情况下，mcm69c232通过写控制口数据和指令来准备匹配操作，一般步骤是把数据项装入4个i/o寄存器，然后往操作代码寄存器写入操作代码，即可完成一种指令的操作，指令完成后cam表的内容可能会被修改，标志寄存器的相应位会被置位，错误代码寄存器会返回错误码，当使能时，还会触发中断。

芯片的操作指令如表1所列。

复位。复位同步于主时钟的上升沿，一个时钟周期的复位就能清空cam表和输入数据项队列，置标志寄存器为1c，错误代码寄存器为ffff，几乎满寄存器fff，并清除中断屏蔽。

控制口时序，访问控制口如同处理器访问ram一样，时序较为简单。

匹配口时序，访问匹配口分两种情况：一种是匹配字节小于等于32位，只用lh/sm信号装载匹配数据，ll信号无用，另一种是匹配字节大于32位，先用ll信号装载匹配数据低位部分，再由lh/sm信号装载高位部分，匹配结果由mc信号和ms信号指示，使能g信号读取匹配结果数据，匹配口时序参见参考文献[1]。

两口同时匹配，控制口模拟匹配和匹配口匹配同时进行时，匹配口优先权较高，另外控制口模拟匹配操作之前要求输入队列为空，以便接收结果。

深度扩展。芯片简单级联即可扩展深度，具体的扩展连接方法请参见参考文献[1]。

3 mcm69c232芯片的应用

3.1 mcm69c232在交换机中的应用

在以太网上，交换机维护一张用于二层交换的地址表（通常称为"cam表"），该表维护mac地址与出接口的对应关系，这样每当接收到一个以太网数据帧，交换机就会进行判断，如果该数据帧不是发送给自己的，则根据数据帧的目的mac地址查询cam表，如果能命中（所谓命中，就是在cam表中找到与该mac地址对应的转发项），则根据查询的结果（通常是一个出接口列表）进行转发；如果不能命中，则向所有端口广播该数据帧。

交换机的这张cam表可以通过多种方式获得，比如静态匹配、动态学习。针对多播，还可以通过各种多播协议（如igmp窥探、gmrp协议等方式）获得（多播转发表不能通过学习获得，而且多播转发项跟普通转发项不同，与其对应的出口可能不只一个，而是一个出口集合）；但对于单播，最重要的一种建立方式是动态学习。

当交换机接收到一个数据帧时，提取出该数据帧的目的mac地址，并以此为根据进行cam表查询，如果能查找到结果，则根据结果进行数据帧的转发，如果不能命中，则对除接收端口外的所有端口进行复制。在进行数据转发的同时，交换机还进行一个学习的过程，它把数据帧的源mac地址提取出来，查询cam表，看cam表中是否有针对该mac地址的转发项，如果没有，则把该mac地址和接收到该mac地址的端口绑定起来，插入cam表项，这样当接收到一个发送到该mac地址的数据帧时，就不需要向所有端口广播，而仅向这个端口发送即可，需要注意的是，数据帧的转发是依据目的mac地址查询mac表，而cam表的学习则是以源mac地址为依据的。

之所以在交换机中使用cam，是因为交换机对性能要求特别高， 交换机中的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的尤为突出，按照设计要求，以太网帧的mac地址的检索时间一般都是μs级，因此首先要保证数据检索任务的响应速度；除了十分繁重的数据检索任务外，交换机还必须完成snmp（simple network management protocol）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，利用软件实现对以太网帧的mac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，致使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占用大量资源的问题，为提高系统的响应速度，必须将数据检索的任务分离出来由硬件实现，而协议处理部分仍由cpu完成，数据检索模块和协议处理模块并行工作，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。在这里cam的优势就体现出来了。

3.2 检索操作

当进行mac地址检索时，cpu首先以mac地址为关键字通过mac-cam表的检索得到对应的索引值，然后再根据索引值找到ram表中该mac地址对应的相关信息的存储位置，并也此地址获得相关配置信息，在ram中的相关配置中可以存放诸如mac地址、用户端口、有效标志域等其他信息。cam表示ram的映射关系如图3所示。

按协议规定mac地址占48位，表示为6字节的数组，故对于mac地址的匹配操作，屏蔽字设为0x0000_0000_0000_ffff，即48位匹配，屏蔽字的设定必须在cam初始化时完成，在执行匹配操作前，cam须进行初始化，mcm69c232上电后，默认工作模式为基本模式，因此不必再设置工作模式，前面已提到过，cam中mac表的形成是通过自学习得到的，因此无需向cam表中写入数据项。

匹配操作通过对匹配口读/写来完成，匹配口数据线mq只有32位，由于mac地址占48位，因此需要两次写操作才能完整地将一个mac地址表达出来，当进行mac地址检索时，cpu先向匹配口写入mac地址的低32位数据，其中高16位有效，低16位可以为任意值；紧接着cpu向匹配口写入高32位数据，随后cpu读匹配口，即可得到匹配结果。

结语

采用内容可寻址存储器mcm69c232，极大的提高了数据检索速度，而这是用纯软件紧缩算法所不能比拟的，设备的数据处理能够满足了大流量网络通信的要求，使产品获得了良好的社会效益和经济效益。