原创 内容可寻址存储器CAM在交换机中的应用

内容可寻址存储器ＣＡＭ（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ是一种特殊的存储阵列。它具有将输入数据与ＣＡＭ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ＣＡＭ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ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司的ＣＡＭ芯片——ＭＣＭ６９Ｃ２３３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。

１ ＭＣＭ６９Ｃ２３３功能简述

ＣＡＭ是一种基于ＲＡＭ技术的存储器，数据项存储在ＣＡＭ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ＣＡＭ的深度，ＣＡＭ的容量通过字宽和深度来表征。ＭＣＭ６９Ｃ２３３可存储４０９６条宽度为６４ 位的数据项。图１所示为ＭＣＭ６９Ｃ２３３的结构框图。

ＭＣＭ６９Ｃ２３３有两个数据端口：控制端口（Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｐｏｒｔ）和匹配端口（Ｍａｔｃｈ Ｐｏｒｔ）。控制端口用于ＣＡＭ表（ＣＡＭ Ｔａｂｌｅ）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ＲＡＭ技术，ＣＡＭ的存储机制却与ＲＡＭ大相径庭。如图１所示，ＭＣＭ６９Ｃ２３３没有用于确定内容存储地址的地址总线，地址线Ａ０～Ａ２用于对片内控制寄存器的寻址。在写ＣＡＭ模式下，ＭＣＭ６９Ｃ２３３从控制端口数据线ＤＱ０～ＤＱ１５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ＭＣＭ６９Ｃ２３３的匹配规则进行编程，在读ＣＡＭ模式（查找匹配）时，ＭＣＭ６９Ｃ２３３直接从匹配口数据线ＭＱ０～ＭＱ３１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索引值，且ＭＳ为０；如果数据项不存在，ＭＳ为１。由于比较过程只需一个时钟周期，所以速度极快。ＭＣＭ６９Ｃ２３３的最长匹配时间为２１０ｎｓ。

ＭＣＭ６９Ｃ２３３有两种工作模式：ＡＴＭ模式和基本模式。ＡＴＭ模式主要用于ＡＴＭ交换机中对ＡＴＭ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。

２ 应用实例

２．１ 设计要求

某型号交换机根据产品定义用于ＡＴＭ网络和基于以态网的城域网Ｅ－ＭＡＮ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）的连接。其ＡＴＭ端口工作速率为１５５Ｍｂｐｓ，以太网端口工作速率为１００Ｍｂｐｓ。系统数据流如图２所示。

  上行方向，交换机首先在系统内嵌的ＶＰ／ＶＣ通道表内检查每一个ＡＴＭ信元内的虚通路值／虚链接值ＶＰＩ／ＶＣＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐａｔｈ Ｉｎｄｅｘ／Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ，标识一条虚通道／虚链接ＶＰ／ＶＣ）是否存在。如果存在，ＣＰＵ获得该ＶＰ／ＶＣ的配置信息，准备下一步的协议处理。如果输入信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ不存在，则丢弃该信元。

输入的ＡＴＭ信元经协议处理后，包含在ＡＴＭ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ＭＡＣ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ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表中检索到该ＭＡＣ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ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表中添加该ＭＡＣ地址并设置老化标记，而后交换机将该以太网帧转发至以太网接口。

下行方向，系统首先以输入以太网帧的目的ＭＡＣ地址为关键字在ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表中进行检索，该地址就是上文提到的源ＭＡＣ地址。如果目的ＭＡＣ地址不存在，则将输入的以太网帧转换为ＡＴＭ信元，向所有用户端口广播；如果匹配成功，交换机获得与该ＭＡＣ地址对应的ＶＰＩ／ＶＣＩ，将以太网帧转换为ＡＴＭ信元，并根据ＶＰＩ／ＶＣＩ通道表，从指定的用户端口转发至ＡＤＳＬ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，ＡＴＭ信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ检索必须在１／４～１／２的信元接收时间内完成，即６８４ｎｓ～１．３７μｓ，以太网帧的ＭＡＣ地址的检索时间不能超过５．１２μｓ。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ＡＴＭ端口，系统每秒必须处理约３６５，５６６帧ＡＴＭ信元，数据检索任务十分繁重；另外，除了业务数据的ＡＴＭ－Ｅｔｈｅｒｎｅｔ双向协议处理外，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。

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平台，如采用分布式控制系统，一个ＣＰＵ用于协议处理，另一个ＣＰＵ用于网管等事务处理；或者协议处理部分由ＡＳＩＣ完成，事务处理部分由ＣＰＵ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ＡＴＭ信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ和以太网帧的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，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ＣＰＵ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ＦＰＧＡ或ＣＰＬＤ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ＣＡＭ实现数据检索。两者比较，本系统采用ＣＡＭ。根据系统设计，本交换机采用两块ＣＡＭ实现数据检索功能，ＭＡＣ－ＣＡＭ用于以太网帧的ＭＡＣ地址检索，ＡＴＭ－ＣＡＭ用于ＡＴＭ信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ检索，如图２所示。

２．２ 检索算法设计

下面根据系统设计方案，以ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表为例说明以太网侧数据检索功能的实现。如图３所示，ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表由硬件、软件两个子模块构成。ＭＡＣ－ＣＡＭ表实现ＭＡＣ地址到偏移地址的查询，这部分由硬件实现；ＲＡＭ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ＶＰ／ＶＣ认为是一个用户端口，ＶＰ／ＶＣ的值保存在用户端口域。

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偏移地址ａ，然后再根据公式（１）得到ＲＡＭ表中该ＭＡＣ地址的存储位置，并由此地址获得相关配置信息。ＲＡＭ表中标志域１、标志域２分别表示用户ＭＡＣ地址的状态信息，限于篇幅这里不详述了。

ＲＡＭ地址＝基地址 ＋ ａ×ｂ    （１）

公式（１）中，基地址是ＲＡＭ表的起始地址；ａ是通过ＭＡＣ－ＣＡＭ表查询得到的偏移量，即ＭＡＣ地址的索引值；ｂ表示ＲＡＭ表中的一个表项的宽度为多少字节。

与ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表的实现基本相同，ＶＰＩ／ＶＣＩ通道表的实现也分为两部分，一部分由硬件ＣＡＭ实现，另一部分由软件实现。执行ＶＰＩ／ＶＣＩ检索时，ＣＰＵ先通过ＣＡＭ得到某ＶＰＩ／ＶＣＩ的偏移地址，然后再根据该偏移地址得到ＲＡＭ表中保存的具体配置。

正是通过ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表和ＶＰＩ／ＶＣＩ通道表，本系统实现了ＡＴＭ网络与Ｅ－ＭＡＮ的交换。

２．３ 检索算法的实现

按协议规定ＭＡＣ地址占４８位，表示为６字节的数组。图４和图５分别表示了ＭＡＣ－ＣＡＭ表中ＭＡＣ地址的高３２位数据和低１６位数据的数据结构。

图６所示为ＭＡＣ地址索引项的数据结构，它分为两部分：最高位为匹配标志（ＭＳ），０表示匹配成功，１表示匹配失败；匹配输出的低１６位为ＭＡＣ地址的索引（ｍａｃＩｎｄｅｘ），用户可按需要对其进行定义，如ＭＡＣ地址００－３Ｃ－ＣＤ－１７－６５－ＡＢ的索引值为０ｘ０３ＥＦ。

不同的协议要求，ＶＰＩ／ＶＣＩ表的数据结构与ＭＡＣ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。

ＭＣＭ６９Ｃ２３３的匹配规则由通用屏蔽字（Ｇｌｏｂａｌ Ｍａｓｋ）制定。进行检索时，ＭＣＭ６９Ｃ２３３将检索内容与通用屏蔽字进行按位或运算，１表示屏蔽该位的值，０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，ＡＴＭ信元的检索只对ＶＰＩ／ＶＣＩ敏感，因此通用屏蔽字为０ｘＦＦ００＿００００＿ＦＦＦＦ＿ＦＦＦＦ，即忽略ＧＦＣ字段和ＰＨＹ地址标识段。对于ＭＡＣ地址的匹配操作，通用屏蔽字为０ｘ００００＿００００＿００００＿ＦＦＦＦ，即４８位匹配。通用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。由于ＡＴＭ－ＣＡＭ和ＭＡＣ－ＣＡＭ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ＡＴＭ－ＣＡＭ为例，用伪码形式说明初始化过程。

ａｔｍＣａｍＩｎｉｔ（）

{

Ｓｅｔ ＡＴＭ＿ＣＡＭ ｗｏｒｋｉｎｇ ｏｎ ＡＴＭ ｍｏｄｅ；

Ｓｅｔ ｔｈｅ Ｇｌｏｂａｌ ｍａｓｋ ｒｅｇｉｓｔｅｒ ｆｏｒ ＶＰＩ／ＶＣＩ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ；

Ｓｅｔ ｔｈｅ ＡＴＭ＿ＣＡＭ ｔｏ ｆａｓｔ ｅｎｔｒｙ ｍｏｄｅ；

Ｉｎｐｕｔ ＶＰＣ ｔａｂｌｅ；

Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ ＶＰＣ ｔａｂｌｅ；

}

对于ＡＴＭ－ＣＡＭ，首先必须设定工作模式，ＡＴＭ－ＣＡＭ工作于ＡＴＭ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ＡＴＭ－ＣＡＭ设为快速输入模式（Ｆａｓｔ ｅｎｔｒｙ ｍｏｄｅ，当需要将大量数据写入ＣＡＭ时，该模式能加快输入速度），将预先定义好的ＶＰＩ／ＶＣＩ－Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｏｄｅ表写入ＣＡＭ；最后执行表初始化指令。至此，ＡＴＭ－ＣＡＭ能够正常工作了。前面已提到，ＭＡＣ表的形成是通过自学习得到的，因此ＭＡＣ－ＣＡＭ的初始化并不需要该过程。另外，ＭＡＣ－ＣＡＭ工作在基本模式，ＭＣＭ６９Ｃ２３３上电后，默认工作模式为基本模式。因此ＭＡＣ－ＣＡＭ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；而ＶＰＩ／ＶＣＩ只占２４位，因此只需一次写操作就可以了。下面以ＭＡＣ地址的检索为例说明ＣＡＭ的匹配操作过程。

当进行ＭＡＣ地址检索时，ＣＰＵ先向匹配口写入如图４所示的低３２位数据，其中高１６位有效，低１６位可以为任意值；紧接着ＣＰＵ向匹配口写入如图５所示的高３２位数据；随后ＣＰＵ读匹配口，就可得到如图６所示的结果。如果被查询的ＭＡＣ地址存在，则ＭＳ位为０，ｍａｃＩｎｄｅｘ为有效输出；如果被查询的ＭＡＣ地址不存在，则ＭＳ位为１，ｍａｃＩｎｄｅｘ为输出无效。上述过程可通过伪码表示如下：

ＳＴＡＴＵＳ ｍａｃＣａｍＣｈｅｃｋＥｎｔｒｙ 

{

Ｗｒｉｔｅ ｌｏｗ ３２－ｂｉｔ ｗｏｒｄ ｔｏ ｍａｔｃｈ ｐｏｒｔ ｉｎ ｆｉｒｓｔ ｃｙｃｌｅ

Ｗｒｉｔｅ ｈｉｇｈ ３２－ｂｉｔ ｗｏｒｄ ｔｏ ｍａｔｃｈ ｐｏｒｔ ｉｎ ｓｅｃｏｎｄ ｃｙｃｌｅ

Ｒｅａｄ ３２－ｂｉｔ ｒｅｓｕｌｔ ｆｒｏｍ ｍａｔｃｈ ｐｏｒｔ

Ｉｆ ＭＳ ｆｌａｇ ｉｓ “１”

Ｔｈｅｒｅ ｉｓ ｎｏ ｓｕｃｈ Ｅｎｔｒｙ

Ｅｌｓｅ ｒｅｔｕｒｎ ｍａｃＩｎｄｅｘ

}

３ 运行结果

某交换机的运行结果表明, 采用ＣＡＭ, 交换机的以太网端口能工作在１００Ｍｂｐｓ，基本满足设计要求；如采用软件搜索方法, 则只能达到３０Ｍｂｐｓ。