摘要：介紹了內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器ＣＡＭ ＭＣＭ６９Ｃ２３３的特點(diǎn)及使用。通過(guò)某交換機(jī)應(yīng)用表明，可大幅度提高數(shù)據(jù)檢索速度，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

關(guān)鍵詞：CAM 數(shù)據(jù)檢索 嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng) MAC RTOS

內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器ＣＡＭ（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ是一種特殊的存儲(chǔ)陣列。它具有將輸入數(shù)據(jù)與ＣＡＭ中存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)同時(shí)進(jìn)行比較，迅速判斷輸入數(shù)據(jù)是否與ＣＡＭ中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)項(xiàng)相匹配，并給出數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)地址和匹配信息的特點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于通信、模式識(shí)別等領(lǐng)域。在某型號(hào)交換機(jī)的設(shè)計(jì)中，筆者應(yīng)用ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司的ＣＡＭ芯片——ＭＣＭ６９Ｃ２３３實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索功能，既提高了系統(tǒng)資源的利用率，又保障了系統(tǒng)性能，大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

１ ＭＣＭ６９Ｃ２３３功能簡(jiǎn)述

ＣＡＭ是一種基于ＲＡＭ技術(shù)的存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)在ＣＡＭ內(nèi)部的陣列中。每個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的位數(shù)叫字寬，陣列內(nèi)所有數(shù)據(jù)項(xiàng)的條數(shù)叫做ＣＡＭ的深度，ＣＡＭ的容量通過(guò)字寬和深度來(lái)表征。ＭＣＭ６９Ｃ２３３可存儲(chǔ)４０９６條寬度為６４ 位的數(shù)據(jù)項(xiàng)。所示為ＭＣＭ６９Ｃ２３３的結(jié)構(gòu)框圖。
ＭＣＭ６９Ｃ２３３有兩個(gè)數(shù)據(jù)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，除用于數(shù)據(jù)項(xiàng)的增加／刪除、校驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)外，還可以讀取芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器的信息。數(shù)據(jù)的檢索通過(guò)匹配端口完成。盡管基于ＲＡＭ技術(shù)，ＣＡＭ的存儲(chǔ)機(jī)制卻與ＲＡＭ大相徑庭。如所示，ＭＣＭ６９Ｃ２３３沒(méi)有用于確定內(nèi)容存儲(chǔ)地址的地址總線，地址線Ａ０～Ａ２用于對(duì)片內(nèi)控制寄存器的尋址。在寫(xiě)ＣＡＭ模式下，ＭＣＭ６９Ｃ２３３從控制端口數(shù)據(jù)線ＤＱ０～ＤＱ１５讀取需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)項(xiàng)，數(shù)據(jù)項(xiàng)的存儲(chǔ)地址由芯片內(nèi)部邏輯控制。

用戶(hù)可對(duì)ＭＣＭ６９Ｃ２３３的匹配規(guī)則進(jìn)行編程，在讀ＣＡＭ模式（查找匹配）時(shí)，ＭＣＭ６９Ｃ２３３直接從匹配口數(shù)據(jù)線ＭＱ０～ＭＱ３１讀入數(shù)據(jù)，并按照預(yù)先定義的匹配規(guī)則將輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)與陣列中的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行并行比較。如果數(shù)據(jù)項(xiàng)存在，匹配口輸出該數(shù)據(jù)項(xiàng)的索引值，且ＭＳ為０；如果數(shù)據(jù)項(xiàng)不存在，ＭＳ為１。由于比較過(guò)程只需一個(gè)時(shí)鐘周期，所以速度極快。ＭＣＭ６９Ｃ２３３的長(zhǎng)匹配時(shí)間為２１０ｎｓ。

ＭＣＭ６９Ｃ２３３有兩種工作模式：ＡＴＭ模式和基本模式。ＡＴＭ模式主要用于ＡＴＭ交換機(jī)中對(duì)ＡＴＭ信元的處理?；灸Ｊ降膽?yīng)用十分靈活，由于匹配規(guī)則可編程，用戶(hù)可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)檢索功能。

２ 應(yīng)用實(shí)例

２．１ 設(shè)計(jì)要求

某型號(hào)交換機(jī)根據(jù)產(chǎn)品定義用于ＡＴＭ網(wǎng)絡(luò)和基于以態(tài)網(wǎng)的城域網(wǎng)Ｅ－ＭＡＮ（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）的連接。其ＡＴＭ端口工作速率為１５５Ｍｂｐｓ，以太網(wǎng)端口工作速率為１００Ｍｂｐｓ。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如所示。
交換機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖
上行方向，交換機(jī)首先在系統(tǒng)內(nèi)嵌的ＶＰ／ＶＣ通道表內(nèi)檢查每一個(gè)ＡＴＭ信元內(nèi)的虛通路值／虛鏈接值ＶＰＩ／ＶＣＩ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐａｔｈ Ｉｎｄｅｘ／Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ，標(biāo)識(shí)一條虛通道／虛鏈接ＶＰ／ＶＣ）是否存在。如果存在，ＣＰＵ獲得該ＶＰ／ＶＣ的配置信息，準(zhǔn)備下一步的協(xié)議處理。如果輸入信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ不存在，則丟棄該信元。

輸入的ＡＴＭ信元經(jīng)協(xié)議處理后，包含在ＡＴＭ信元中的以太網(wǎng)幀被提取出來(lái)。交換機(jī)接著對(duì)以太網(wǎng)幀的源ＭＡＣ地址進(jìn)行檢索，判斷該以太網(wǎng)幀是否來(lái)自已知的用戶(hù)。如果在系統(tǒng)內(nèi)嵌的ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表中檢索到該ＭＡＣ地址，則表明該以太網(wǎng)幀來(lái)自已知的用戶(hù)，系統(tǒng)隨即刷新老化標(biāo)記，將其轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)接口；如果不存在，則系統(tǒng)將在ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表中添加該ＭＡＣ地址并設(shè)置老化標(biāo)記，而后交換機(jī)將該以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)接口。

下行方向，系統(tǒng)首先以輸入以太網(wǎng)幀的目的ＭＡＣ地址為關(guān)鍵字在ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表中進(jìn)行檢索，該地址就是上文提到的源ＭＡＣ地址。如果目的ＭＡＣ地址不存在，則將輸入的以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換為ＡＴＭ信元，向所有用戶(hù)端口廣播；如果匹配成功，交換機(jī)獲得與該ＭＡＣ地址對(duì)應(yīng)的ＶＰＩ／ＶＣＩ，將以太網(wǎng)幀轉(zhuǎn)換為ＡＴＭ信元，并根據(jù)ＶＰＩ／ＶＣＩ通道表，從指定的用戶(hù)端口轉(zhuǎn)發(fā)至ＡＤＳＬ終端，送達(dá)用戶(hù)主機(jī)。

嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的性能主要取決于兩方面：硬件平臺(tái)的運(yùn)算性能和算法的優(yōu)越性。其中硬件平臺(tái)的運(yùn)算性能為關(guān)鍵，這一點(diǎn)在交換機(jī)中表現(xiàn)得由為突出。按照設(shè)計(jì)要求，ＡＴＭ信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ檢索必須在１／４～１／２的信元接收時(shí)間內(nèi)完成，即６８４ｎｓ～１．３７μｓ，以太網(wǎng)幀的ＭＡＣ地址的檢索時(shí)間不能超過(guò)５．１２μｓ。因此首先要保證數(shù)據(jù)檢索任務(wù)的響應(yīng)速度；其次，由于交換機(jī)數(shù)據(jù)流量大，對(duì)于本系統(tǒng)的ＡＴＭ端口，系統(tǒng)每秒必須處理約３６５，５６６幀ＡＴＭ信元，數(shù)據(jù)檢索任務(wù)十分繁重；另外，除了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的ＡＴＭ－Ｅｔｈｅｒｎｅｔ雙向協(xié)議處理外，交換機(jī)還必須完成ＳＮＭＰ（Ｓｉｍｐｌｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ）協(xié)議處理、命令行處理等任務(wù)，所以還必須解決數(shù)據(jù)檢索對(duì)系統(tǒng)資源的占用問(wèn)題。

提高性能的方法一般有兩種，直接的方法就是采用高性能的硬件平臺(tái)，如采用分布式控制系統(tǒng)，一個(gè)ＣＰＵ用于協(xié)議處理，另一個(gè)ＣＰＵ用于網(wǎng)管等事務(wù)處理；或者協(xié)議處理部分由ＡＳＩＣ完成，事務(wù)處理部分由ＣＰＵ實(shí)現(xiàn)。但這些方案會(huì)帶來(lái)硬件成本的大幅提高。另外一種方案就是采用更優(yōu)化的算法。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，盡管利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)ＡＴＭ信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ和以太網(wǎng)幀的ＭＡＣ地址檢索并不復(fù)雜，但由于檢索次數(shù)頻繁，大量的系統(tǒng)資源被占用，系統(tǒng)的響應(yīng)速度大大降低，滿(mǎn)足不了大流量數(shù)據(jù)通信的要求。因此純軟件算法解決不了數(shù)據(jù)檢索部分對(duì)資源占用的問(wèn)題。為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，必須將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)檢索的任務(wù)分離出來(lái)由硬件實(shí)現(xiàn)，協(xié)議處理部分還由ＣＰＵ完成。數(shù)據(jù)檢索模塊和協(xié)議處理模塊并行工作，兩部分通過(guò)數(shù)據(jù)耦合，既可以提高模塊的內(nèi)聚度，又增強(qiáng)了算法的健壯性；并且利用硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索還可以提高檢索速度，降低系統(tǒng)資源的占用率。
利用硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索，通常采用兩種策略一種是利用ＦＰＧＡ或ＣＰＬＤ等可編程邏輯器件定制數(shù)據(jù)檢索單元。本系統(tǒng)兩種地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，定制簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的檢索單元體現(xiàn)不了可編程邏輯器件功能強(qiáng)大、靈活性強(qiáng)等優(yōu)越性，并且這類(lèi)器件的開(kāi)發(fā)難度相對(duì)較大，完成后還需要相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。另一種策略是選擇ＣＡＭ實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索。兩者比較，本系統(tǒng)采用ＣＡＭ。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本交換機(jī)采用兩塊ＣＡＭ實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢索功能，ＭＡＣ－ＣＡＭ用于以太網(wǎng)幀的ＭＡＣ地址檢索，ＡＴＭ－ＣＡＭ用于ＡＴＭ信元的ＶＰＩ／ＶＣＩ檢索，如所示。

２．２ 檢索算法設(shè)計(jì)

下面根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表為例說(shuō)明以太網(wǎng)側(cè)數(shù)據(jù)檢索功能的實(shí)現(xiàn)。如所示，ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表由硬件、軟件兩個(gè)子模塊構(gòu)成。ＭＡＣ－ＣＡＭ表實(shí)現(xiàn)ＭＡＣ地址到偏移地址的查詢(xún)，這部分由硬件實(shí)現(xiàn)；ＲＡＭ表實(shí)現(xiàn)偏移地址到配置信息的查詢(xún)，這部分由軟件實(shí)現(xiàn)；兩者通過(guò)偏移地址耦合。本系統(tǒng)將每一個(gè)ＶＰ／ＶＣ認(rèn)為是一個(gè)用戶(hù)端口，ＶＰ／ＶＣ的值保存在用戶(hù)端口域。

當(dāng)進(jìn)行ＭＡＣ地址檢索時(shí)，ＣＰＵ首先以ＭＡＣ地址為關(guān)鍵字通過(guò)ＭＡＣ－ＣＡＭ表的檢索得到對(duì)應(yīng)的偏移地址ａ，然后再根據(jù)公式（１）得到ＲＡＭ表中該ＭＡＣ地址的存儲(chǔ)位置，并由此地址獲得相關(guān)配置信息。ＲＡＭ表中標(biāo)志域１、標(biāo)志域２分別表示用戶(hù)ＭＡＣ地址的狀態(tài)信息，限于篇幅這里不詳述了。

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是通過(guò)ＭＡＣ－ＣＡＭ表查詢(xún)得到的偏移量，即ＭＡＣ地址的索引值；ｂ表示ＲＡＭ表中的一個(gè)表項(xiàng)的寬度為多少字節(jié)。

與ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表的實(shí)現(xiàn)基本相同，ＶＰＩ／ＶＣＩ通道表的實(shí)現(xiàn)也分為兩部分，一部分由硬件ＣＡＭ實(shí)現(xiàn)，另一部分由軟件實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行ＶＰＩ／ＶＣＩ檢索時(shí)，ＣＰＵ先通過(guò)ＣＡＭ得到某ＶＰＩ／ＶＣＩ的偏移地址，然后再根據(jù)該偏移地址得到ＲＡＭ表中保存的具體配置。

正是通過(guò)ＭＡＣ－ＶＰ／ＶＣ表和ＶＰＩ／ＶＣＩ通道表，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ＡＴＭ網(wǎng)絡(luò)與Ｅ－ＭＡＮ的交換。

２．３ 檢索算法的實(shí)現(xiàn)

按協(xié)議規(guī)定ＭＡＣ地址占４８位，表示為６字節(jié)的數(shù)組。和分別表示了ＭＡＣ－ＣＡＭ表中ＭＡＣ地址的高３２位數(shù)據(jù)和低１６位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

所示為ＭＡＣ地址索引項(xiàng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它分為兩部分：位為匹配標(biāo)志（ＭＳ），０表示匹配成功，１表示匹配失?。黄ヅ漭敵龅牡停保段粸椋停粒玫刂返乃饕ǎ恚幔悖桑睿洌澹?，用戶(hù)可按需要對(duì)其進(jìn)行定義，如ＭＡＣ地址００－３Ｃ－ＣＤ－１７－６５－ＡＢ的索引值為０ｘ０３ＥＦ。

不同的協(xié)議要求，ＶＰＩ／ＶＣＩ表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與ＭＡＣ表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不相同。但由于處理方式相近，這里就不贅述了。

ＭＣＭ６９Ｃ２３３的匹配規(guī)則由通用屏蔽字（Ｇｌｏｂａｌ Ｍａｓｋ）制定。進(jìn)行檢索時(shí)，ＭＣＭ６９Ｃ２３３將檢索內(nèi)容與通用屏蔽字進(jìn)行按位或運(yùn)算，１表示屏蔽該位的值，０表示對(duì)該位敏感。從上文可看到，兩種數(shù)據(jù)檢索的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大不相同，因此需要不同的匹配規(guī)則。根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，ＡＴＭ信元的檢索只對(duì)ＶＰＩ／ＶＣＩ敏感，因此通用屏蔽字為０ｘＦＦ００＿００００＿ＦＦＦＦ＿ＦＦＦＦ，即忽略ＧＦＣ字段和ＰＨＹ地址標(biāo)識(shí)段。對(duì)于ＭＡＣ地址的匹配操作，通用屏蔽字為０ｘ００００＿００００＿００００＿ＦＦＦＦ，即４８位匹配。通用屏蔽字的設(shè)定必須在ＣＡＭ初始化時(shí)完成。

在執(zhí)行匹配操作前，ＣＡＭ須進(jìn)行初始化。由于ＡＴＭ－ＣＡＭ和ＭＡＣ－ＣＡＭ的工作模式不同，因此兩者的初始化過(guò)程亦不盡相同。下面以ＡＴＭ－ＣＡＭ為例，用偽碼形式說(shuō)明初始化過(guò)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；

}

對(duì)于ＡＴＭ－ＣＡＭ，首先必須設(shè)定工作模式，ＡＴＭ－ＣＡＭ工作于ＡＴＭ模式；然后對(duì)通用屏蔽字進(jìn)行設(shè)置，以保證正確的匹配規(guī)則；緊接著，將ＡＴＭ－ＣＡＭ設(shè)為快速輸入模式（Ｆａｓｔ ｅｎｔｒｙ ｍｏｄｅ，當(dāng)需要將大量數(shù)據(jù)寫(xiě)入ＣＡＭ時(shí)，該模式能加快輸入速度），將預(yù)先定義好的ＶＰＩ／ＶＣＩ－Ｃｈａｎｎｅｌ Ｃｏｄｅ表寫(xiě)入ＣＡＭ；執(zhí)行表初始化指令。至此，ＡＴＭ－ＣＡＭ能夠正常工作了。前面已提到，ＭＡＣ表的形成是通過(guò)自學(xué)習(xí)得到的，因此ＭＡＣ－ＣＡＭ的初始化并不需要該過(guò)程。另外，ＭＡＣ－ＣＡＭ工作在基本模式，ＭＣＭ６９Ｃ２３３上電后，默認(rèn)工作模式為基本模式。因此ＭＡＣ－ＣＡＭ的初始化只需要兩步，通用屏蔽字的設(shè)置和表初始化。
、和
匹配操作通過(guò)對(duì)匹配口讀／寫(xiě)完成。匹配口數(shù)據(jù)線只有３２位。由于ＭＡＣ地址占４８位，因此需要兩次寫(xiě)操作才能完整地將一個(gè)ＭＡＣ地址表達(dá)出來(lái)；而ＶＰＩ／ＶＣＩ只占２４位，因此只需寫(xiě)操作就可以了。下面以ＭＡＣ地址的檢索為例說(shuō)明ＣＡＭ的匹配操作過(guò)程。

當(dāng)進(jìn)行ＭＡＣ地址檢索時(shí)，ＣＰＵ先向匹配口寫(xiě)入如所示的低３２位數(shù)據(jù)，其中高１６位有效，低１６位可以為任意值；緊接著ＣＰＵ向匹配口寫(xiě)入如所示的高３２位數(shù)據(jù)；隨后ＣＰＵ讀匹配口，就可得到如所示的結(jié)果。如果被查詢(xún)的ＭＡＣ地址存在，則ＭＳ位為０，ｍａｃＩｎｄｅｘ為有效輸出；如果被查詢(xún)的ＭＡＣ地址不存在，則ＭＳ位為１，ｍａｃＩｎｄｅｘ為輸出無(wú)效。上述過(guò)程可通過(guò)偽碼表示如下：

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 運(yùn)行結(jié)果

某交換機(jī)的運(yùn)行結(jié)果表明, 采用ＣＡＭ, 交換機(jī)的以太網(wǎng)端口能工作在１００Ｍｂｐｓ，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；如采用軟件搜索方法, 則只能達(dá)到３０Ｍｂｐｓ。