??? 摘? 要: 一種利用Verilog HDL設(shè)計CAM的方案,該方案以移位寄存器為核心,所實現(xiàn)的CAM具有可重新配置改變字長、易于擴展、匹配查找速度快等特點,并在網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器仿真中得到了應(yīng)用。?

??? 關(guān)鍵詞: CAM? 移位寄存器? Verilog HDL?

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??? CAM(Content Addressable Memory,內(nèi)容可尋址存儲器)是一種特殊的存儲陣列。它通過將輸入數(shù)據(jù)與CAM中存儲的所有數(shù)據(jù)項同時進(jìn)行比較,迅速判斷出輸入數(shù)據(jù)是否與CAM中的存儲數(shù)據(jù)項相匹配,并給出匹配數(shù)據(jù)項的對應(yīng)地址和匹配信息。CAM以其高速查找、大容量等特點而被廣泛地應(yīng)用于電訊、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。?

??? 本文介紹一種用Verilog HDL設(shè)計CAM的方案。該方案以移位寄存器為核心,具有可重新配置改變字長、易于擴展、匹配查找速度快等特點。?

1 CAM功能描述?

??? CAM的基本框圖如圖1所示。?

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??? 與RAM相似,CAM是將數(shù)據(jù)項存儲在一個陣列中。每個數(shù)據(jù)項的位數(shù)叫做字寬,CAM中所有數(shù)據(jù)項的條數(shù)叫做CAM的深度。通過字寬和深度可以表征CAM的容量。?

??? 在寫CAM模式(配置)時,WRITE_E信號有效,MATCH_E信號無效,此時通過地址線ADDR選擇DATA_IN輸入的數(shù)據(jù)將要被寫入哪一個單元;在讀CAM模式(查找匹配)時,WRITE_E信號無效,MATCH_E信號有效,CAM將不使用地址線,而是直接將DATA_IN讀入的數(shù)據(jù)與CAM中存儲的各條數(shù)據(jù)項進(jìn)行并行比較。如果CAM中含有與此時輸入數(shù)據(jù)相匹配的存儲數(shù)據(jù)項,CAM將從MATCH_ADDR輸出此存儲數(shù)據(jù)項的地址,并且通過MATCH_OK輸出匹配成功的信息。在查找匹配模式時,由于CAM是將輸入數(shù)據(jù)與存儲數(shù)據(jù)項并行比較,所以速度極快。同時,由于不需要通過地址線來尋址數(shù)據(jù)項,CAM將不受地址線寬度的限制,容易擴展。?

2 基于移位寄存器的CAM的設(shè)計?

??? 為了說明設(shè)計方案,以一個寬度為4位、深度為1的基本CAM存儲單元為例。利用這樣一個基本存儲單元,通過適當(dāng)級聯(lián),可以構(gòu)成任意字寬和深度的CAM。該基本單元采用一個16位的移位寄存器、一個4位的比較器,外加16位的計數(shù)器和一個“二選一”的選擇器構(gòu)成。如圖2所示。?

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??? 在寫CAM模式時,WRITE_E信號有效,DATA_IN輸入的是將要寫入數(shù)據(jù)存儲項的4位數(shù)據(jù)。計數(shù)器進(jìn)行從“1111”到“0000”的減計數(shù),并將計數(shù)輸出值與DATA_IN輸入值進(jìn)行比較。若二者相同,比較器輸出“1”到移位寄存器中;不同則輸出“0”到移位寄存器中。在16個時鐘周期之后,將完成DATA_IN輸入數(shù)據(jù)與計數(shù)器輸出的所有情況的比較。這樣,移位寄存器中將存入15個“0”和一個“1”。?

??? 在讀CAM模式時,MATCH_IN為“1”,此時,DATA_IN輸入的數(shù)據(jù)直接送到移位寄存器的地址端,它將決定移位寄存器輸出其16個位中的哪一位。如果該位輸出“1”,則表示此時DATA_IN與原來寫入該單元的數(shù)據(jù)相同,即發(fā)生匹配;反之則輸出“0”,表示無匹配項。?

??? 以上討論只是針對4位字寬的數(shù)據(jù)項的讀寫,而對于更長字寬的數(shù)據(jù)項,必須進(jìn)行字寬擴展。可用多個比較器和移位寄存器組成的存儲數(shù)據(jù)項并聯(lián)在一起,組成一個字結(jié)構(gòu),即把輸入的數(shù)據(jù)按每4位分為一組,每組對應(yīng)一套比較器和移位寄存器,每組只產(chǎn)生一個最終的MATCH_OUT信號。例如,對于16位的數(shù)據(jù)項,就需要4組這樣的結(jié)構(gòu)。這4組基本結(jié)構(gòu)中的讀和寫可以同時完成。只有4組都產(chǎn)生匹配信號,最終的MATCH_OUT輸出才為“1”,表明讀入的16位DATA_IN數(shù)據(jù)與存儲的數(shù)據(jù)項匹配。?

??? CAM中需要存儲多個數(shù)據(jù)項,因此需要多個字結(jié)構(gòu)的深度擴展。將這些字結(jié)構(gòu)中的比較器和移位寄存器分別組合在一起,構(gòu)成比較器陣列和移位寄存器陣列。為了在寫CAM時進(jìn)行寫入數(shù)據(jù)的定位,還需要一個地址譯碼模塊來指出是對哪一個數(shù)據(jù)項進(jìn)行寫操作。在讀CAM時,得到輸入數(shù)據(jù)與各個存儲數(shù)據(jù)項的匹配信息之后,還要對這些匹配信息進(jìn)行編碼,得到最后要輸出的相匹配的存儲數(shù)據(jù)項的地址MATCH_ADDR和是否發(fā)生匹配的信息MATCH_OK。?

??? 完整的CAM結(jié)構(gòu)框圖見圖3。?

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3 基于移位寄存器的CAM的Verilog HDL實現(xiàn)?

??? 硬件描述語言VerilogHDL是一種應(yīng)用于電路設(shè)計的描述語言,具有行為級、寄存器傳輸級、邏輯門級和開關(guān)級等多層次描述。它簡單易讀,描述與工藝無關(guān),并且得到許多EDA工具的支持。利用Verilog HDL語言進(jìn)行電路設(shè)計可以大大節(jié)省設(shè)計時間和成本。?

??? 本設(shè)計以一個數(shù)據(jù)項字寬為16位、深度為8的CAM為例,進(jìn)行Verilog HDL設(shè)計,并利用Xilinx Virtex系列中XCV1000器件進(jìn)行綜合。綜合后的仿真分析表明,該方案是合理可行的。?

??? 圖4為匹配查找的時序仿真結(jié)果,CAM中預(yù)先放入了0019H,001AH,...,001DH五個數(shù)據(jù)。CLK為系統(tǒng)時鐘,DATA_IN為數(shù)據(jù)輸入,MATCH_ENABLE為讀CAM(查找)允許信號,GLOBAL_RST為全局清零信號,R_MATCH_ADDR為匹配地址輸出信號,R_MATCH_OK為是否發(fā)生匹配信號。從仿真波形可以看出,輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過兩個時鐘周期,輸出匹配信息,包括是否匹配和相匹配的存儲數(shù)據(jù)項的地址。如果不匹配,是否匹配的信號為0,而輸出地址線不變。?

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??? 本方案以移位寄存器設(shè)計CAM,在寫模式下需要16個時鐘周期完成一個數(shù)據(jù)項的寫入;讀模式僅需一個時鐘周期。它具有速度快、易于重新配置、易于擴展等特點。本方案中的CAM利用Xilinx Virtex系列器件實現(xiàn),時鐘最高頻率可達(dá)80MHz以上。以本方案為基礎(chǔ),擴展到32位、36位的實用化CAM已運用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器的仿真測試中,并取得了較好的效果。?

參考資料?

1 Jean-Louis Brelet.An Overview of Multiple CAM Designs?in Virtex Family Devices.Xilinx XAPP201,1999?

2 Jean-Louis Brelet & Bernie New.Designing Flexible.Fast?CAMs with Virtex Family FPGAs.Xilinx XAPP203, 1999?

3 張 明. Verilog HDL實用教程.成都:電子科技大學(xué)出版社, 1999?

4 夏宇聞. 復(fù)雜數(shù)字電路與系統(tǒng)的Verilog HDL設(shè)計技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998