三态内容寻址存储器(TCAM)工作原理

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CAM是Content Addressable Memory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：

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；
读操作：输入地址，返回该地址上的数据，读取速度与RAM相同；
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Ternary Content Addressable Memory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’t care”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Cypress、IDT和Netlogic三家。这三家分别将TCAM器件称作Network Search Engine(NSE)、Network Search Accelerator(NSA)和Knowledge-based Processor(KBP)。

TCAM器件在通信领域种有非常广泛的应用，主要有：

ATM Switching设备中的VCI/VPI转发和ATM-to-MPLS or ATM-to-TCP-Flow地址映射表项的存储和查找；
Ethernet Switching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；
Emerging Protocols and functions方面的MPLS label表项的存储和查找；
Packet Classification业务中的Enforce security、Enforce departmental policies和QOS检测表项的存储和查找；
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，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/100G POS)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，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器件NL101024为例，介绍下TCAM器件的各管脚功能：1).DBUS[71:0]：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的80位宽度TCAM器件；2).RBUS[49:0]：查询结果Result返回总线，50位宽；3).IBUS[7:0]：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).SMF[3:0]：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).VREF[4:1]：参考电影，为HSTL/SSTL-2的I/O端口提供参考电压，内部有弱下拉，当使用LVCMOS电平时，这些管脚直接接地。有的TCAM器件对外提供LA-1接口，如NSE5512，LA-1的位宽较小，只有16位宽度，不过它在TCAM器件内部先转换

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