基于網絡處理器外擴TCAM的研究與實現

李詩革，李文耀，王 歡

(武漢郵電科學研究院，湖北武漢430074)

隨著網絡的不斷發展，傳統的純硬件專用交換芯片內缺乏拓展性，這使得它不具備各種數據業務表項的存儲功能，跟不上現代網絡發展的速度，基于網絡處理器的TCAM擴展就是在這種背景下產生的。TCAM全稱為三態內容尋址存儲器，在網絡高度發展的今天，它作為網絡處理器查找ACL路由表項的關鍵技術在于TCAM芯片的靈活匹配性能和硬件可拓展性，靈活的匹配性能可以任意匹配320位寬的表項字段，硬件的拓展性在于它能夠級聯多片TCAM芯片，擴展其內存空間，總之研究和實現網絡處理器外擴TCAM將會對各種表項的存儲具有指導意義。

1 網絡處理器基本概念

網絡處理器是專門處理數據包業務而開發的網絡產品，它靈活的可編程能力和強大的接口擴展能力，在各種系統平臺設計當中都起了主導作用［1］。可編程能力方面體現在其流水線支持可編程的指令集，利用可編程的指令集可以編寫微碼實現各種業務的處理。而強大的接口擴展能力是實現表項外部存儲的關鍵技術，同時支持PCIe接口，實現網絡處理器與CPU的連接通信。網絡處理器很好地體現了上述思想，在高性能、靈活性和低成本等幾個目標之間進行了良好的折中。優異的性價比、高度的靈活性、軟件升級能力和較短的上市時間是網絡處理器在1P網絡設備開發方面的主要優勢。

2 TCAM的內存管理

外擴TCAM的內存分配由具體TCAM芯片的容量決定，對于不同型號的TCAM芯片，內存的分配采用的模式不一致［2］。TCAM芯片的內存分配由Super Bank號和Bank號共同作用，一個Super Bank號包含4個Bank號，它們將地址空間分成不同的片區，每個片區的內存空間都是一樣的，對于20 Mbit的TCAM芯片，總共16個Super Bank號0～15，那么對應的Bank號就是0～63。不同的片區可以存放不同位寬的表項，將各種表的表項區分開來，有利于微引擎更好地對各種表項進行查找。網絡處理器通過可編程流水線調用微音器查找TCAM表項時，通常會與SRAM表項配合使用。在下發表項的時候，表項的匹配字段存放在TCAM表中，而回應結果放在SRAM表當中。在TCAM表中，采用Lookup操作實現對表項索引號的獲得，然后通過索引號到SRAM中去尋找相應的條目，并回送結果。

內存分配管理的關鍵在于網絡處理器查找表項時的地址內存映射，在微引擎查找表項時，采用外擴TCAM的邏輯號對應于各種表的地址和位寬，然后到具體表中去匹配相關字段，獲取索引號。TCAM邏輯號是通過低層驅動代碼定義的，它分配了16個邏輯號，每個邏輯號查找的位寬都有規定，然后通過微碼中定義的TCAM表的地址和索引號計算出SRAM中查找表項的絕對地址獲得相應的查找結果。

3 網絡處理器外擴TCAM的設計

網絡處理器通過可編程流水線的微碼控制實現對數據業務的處理，在數據業務中，從不同端口進入網絡處理器的數據包，會解析數據包頭部的相關字段，通過相關字段，在內部集成的TCAM和SRAM去匹配表項的字段，獲得相應的數據結果，再利用回送的結果繼續匹配其他表項。然而在這一過程中，一旦出現TCAM或SRAM的內存不夠和表項位寬大于每個地址單元的位寬情況時，網絡處理器可以通過外擴TCAM的方案解決上述問題。

如圖1所示，在外擴TCAM的設計中，網絡處理器模塊包含兩個組成部分，即微引擎單元和可編程流水線，微引擎單元對表項的各種操作抽象成一個集合，通過預編寫指令系統下發指令控制各種表項操作。在可編程流水線處理各種數據包時，會利用各個微引擎訪問點調用微引擎的相關操作進行對外擴TCAM表項的讀寫。可編程流水線通過請求通道和回應通道與微引擎單元進行通信，請求通道的位寬是160 bit，主要包含相應的請求字段;回應通道的位寬是128 bit，由TCAM的返回字段組成。微引擎單元經過復雜的數據處理通過TCAM PHY口將數據總線、地址總線、時鐘總線連接到外部TCAM的芯片引腳上去［3］。

圖1 網絡處理器外擴SDRAM設計

由于各PHY對于工作時序有著嚴格的要求，所以單在初始化時對幾個DLL模塊進行簡單的默認值配置是無法滿足具體使用需求的。所以應該在其初始化以后，開始使用微碼引擎以前，執行PHY的讀寫校準流程。

4 外擴TCAM的具體實現

外擴TCAM的具體實現體現在硬件初始化方面和軟件表項的存儲和查找，硬件初始化主要是通過驅動代碼實現，集成于控制平面代碼當中。而軟件表項的存儲和查找實現對外擴TCAM的訪問代碼，集成于流水線處理業務的微碼當中。微碼負責調用微引擎，微引擎負責執行查表操作［4］。

硬件初始化是針對TCAM芯片設備的就緒問題，在這一過程中TCAM芯片要經歷以下4步：

1)根據實際PCB的布局走線，獲取實際初始化參數。

2)獲得了初始化參數后，進行基本的初始化設置，配置相關寄存器狀態。

3)配置好寄存器的初始化狀態后，進行讀寫校驗。

4)讀寫校驗完畢后，最后進行TCAM芯片自檢。

這4個步驟缺一不可，而且相互聯系，在進行初始化過程中，如果某一個步驟不合格，將會造成初始化不成功，因此在調試時要對每個步驟進行定位，查找打印相關參數信息。

在軟件表項的存儲和查找的實現當中，主要是對外擴TCAM的訪問，具體要針對不同的數據業務使用外擴TCAM實現對表項查找，這里不作過多闡述。具體的外擴TCAM硬件初始化的第2個步驟的實現如圖2所示［5］。

圖2 硬件初始化寄存器設置

圖2中，DLL是針對PHY中所提到的數據鎖，主要是配置相位，它分為主數據鎖和從數據鎖，這個是根據具體走線、線寬來計算出主數據鎖的相位和從數據鎖，在配置主從數據鎖時，先將主從數據鎖寄存器設置為0，然后將實際數據寫入寄存器。配置時鐘和請求控制寄存器時，同樣是調節相位，調節它與地址總線、時鐘總線的相位關系。配置I/O控制寄存器是對時鐘、地址、數據的同步關系的確定［6］。

5 小結

外擴TCAM是實現內存容量提升的新興技術，也是為解決內存瓶頸而提供更多高位寬表項的策略［7］。通過在網絡處理器的可編程流水線上調用微引擎實現與外擴TCAM的通信，能夠靈活地處理各種表項查找［8］。隨著網絡數據業務的迅速發展，基于網絡處理器外擴TCAM的研究與實現提供了一個良好的研究平臺，具有很高的使用價值和市場價值。

［1］王峻鵬，周華東，王衛城，等.全分布式存儲非編網絡的設計與實現［J］.電視技術，2007，31(8)：82-83.

［2］彭來獻，田暢，鄭少仁.網絡處理器設計分析及其應用前景［J］.電信科學，2001(1)：63-66.

［3］Intel.IXP2400 hardware reference manual［M］.［S.l.］：Intel Press，2003.

［4］李誠，李華偉.網絡處理單元的設計與實現［J］.計算機工程，2007，33(2)：253-254.

［5］科默.網絡處理器與網絡系統設計［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［6］范榮真，沈鳳池，楊東勇，等.網絡處理器下一代網絡發展的核心技術［J］.中國有線電視，2003(16)：16-18.

［7］蔡一兵.下一代網絡設備核心單元——網絡處理器應用研究［J］.電子技術應用，2004(1)：1-4.

［8］周文舉.PC串口與多個單片機紅外無線通信的實現［J］.工業控制計算機，2004，17(7)：29-31.