李詩革，李文耀，王 歡

(武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢430074)

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的純硬件專用交換芯片內(nèi)缺乏拓展性，這使得它不具備各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)表項的存儲功能，跟不上現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的速度，基于網(wǎng)絡(luò)處理器的TCAM擴(kuò)展就是在這種背景下產(chǎn)生的。TCAM全稱為三態(tài)內(nèi)容尋址存儲器，在網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)展的今天，它作為網(wǎng)絡(luò)處理器查找ACL路由表項的關(guān)鍵技術(shù)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(lián)多片TCAM芯片，擴(kuò)展其內(nèi)存空間，總之研究和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理器外擴(kuò)TCAM將會對各種表項的存儲具有指導(dǎo)意義。

1 網(wǎng)絡(luò)處理器基本概念

網(wǎng)絡(luò)處理器是專門處理數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)而開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，它靈活的可編程能力和強(qiáng)大的接口擴(kuò)展能力，在各種系統(tǒng)平臺設(shè)計當(dāng)中都起了主導(dǎo)作用［1］?？删幊棠芰Ψ矫骟w現(xiàn)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(xiàn)各種業(yè)務(wù)的處理。而強(qiáng)大的接口擴(kuò)展能力是實現(xiàn)表項外部存儲的關(guān)鍵技術(shù)，同時支持PCIe接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)處理器與CPU的連接通信。網(wǎng)絡(luò)處理器很好地體現(xiàn)了上述思想，在高性能、靈活性和低成本等幾個目標(biāo)之間進(jìn)行了良好的折中。優(yōu)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(wǎng)絡(luò)處理器在1P網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)方面的主要優(yōu)勢。

2 TCAM的內(nèi)存管理

外擴(kuò)TCAM的內(nèi)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(nèi)存的分配采用的模式不一致［2］。TCAM芯片的內(nèi)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(qū)，每個片區(qū)的內(nèi)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(yīng)的Bank號就是0～63。不同的片區(qū)可以存放不同位寬的表項，將各種表的表項區(qū)分開來，有利于微引擎更好地對各種表項進(jìn)行查找。網(wǎng)絡(luò)處理器通過可編程流水線調(diào)用微音器查找TCAM表項時，通常會與SRAM表項配合使用。在下發(fā)表項的時候，表項的匹配字段存放在TCAM表中，而回應(yīng)結(jié)果放在SRAM表當(dāng)中。在TCAM表中，采用Lookup操作實現(xiàn)對表項索引號的獲得，然后通過索引號到SRAM中去尋找相應(yīng)的條目，并回送結(jié)果。

內(nèi)存分配管理的關(guān)鍵在于網(wǎng)絡(luò)處理器查找表項時的地址內(nèi)存映射，在微引擎查找表項時，采用外擴(kuò)TCAM的邏輯號對應(yīng)于各種表的地址和位寬，然后到具體表中去匹配相關(guān)字段，獲取索引號。TCAM邏輯號是通過低層驅(qū)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(guī)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(yīng)的查找結(jié)果。

3 網(wǎng)絡(luò)處理器外擴(kuò)TCAM的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)處理器通過可編程流水線的微碼控制實現(xiàn)對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的處理，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，從不同端口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)處理器的數(shù)據(jù)包，會解析數(shù)據(jù)包頭部的相關(guān)字段，通過相關(guān)字段，在內(nèi)部集成的TCAM和SRAM去匹配表項的字段，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)果，再利用回送的結(jié)果繼續(xù)匹配其他表項。然而在這一過程中，一旦出現(xiàn)TCAM或SRAM的內(nèi)存不夠和表項位寬大于每個地址單元的位寬情況時，網(wǎng)絡(luò)處理器可以通過外擴(kuò)TCAM的方案解決上述問題。

如圖1所示，在外擴(kuò)TCAM的設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)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(yù)編寫指令系統(tǒng)下發(fā)指令控制各種表項操作。在可編程流水線處理各種數(shù)據(jù)包時，會利用各個微引擎訪問點(diǎn)調(diào)用微引擎的相關(guān)操作進(jìn)行對外擴(kuò)TCAM表項的讀寫?？删幊塘魉€通過請求通道和回應(yīng)通道與微引擎單元進(jìn)行通信，請求通道的位寬是160 bit，主要包含相應(yīng)的請求字段;回應(yīng)通道的位寬是128 bit，由TCAM的返回字段組成。微引擎單元經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理通過TCAM PHY口將數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)處理器外擴(kuò)SDRAM設(shè)計

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

4 外擴(kuò)TCAM的具體實現(xiàn)

外擴(kuò)TCAM的具體實現(xiàn)體現(xiàn)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(qū)動代碼實現(xiàn)，集成于控制平面代碼當(dāng)中。而軟件表項的存儲和查找實現(xiàn)對外擴(kuò)TCAM的訪問代碼，集成于流水線處理業(yè)務(wù)的微碼當(dāng)中。微碼負(fù)責(zé)調(diào)用微引擎，微引擎負(fù)責(zé)執(zhí)行查表操作［4］。

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

1)根據(jù)實際PCB的布局走線，獲取實際初始化參數(shù)。

2)獲得了初始化參數(shù)后，進(jìn)行基本的初始化設(shè)置，配置相關(guān)寄存器狀態(tài)。

3)配置好寄存器的初始化狀態(tài)后，進(jìn)行讀寫校驗。

4)讀寫校驗完畢后，最后進(jìn)行TCAM芯片自檢。

這4個步驟缺一不可，而且相互聯(lián)系，在進(jìn)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(diào)試時要對每個步驟進(jìn)行定位，查找打印相關(guān)參數(shù)信息。

在軟件表項的存儲和查找的實現(xiàn)當(dāng)中，主要是對外擴(kuò)TCAM的訪問，具體要針對不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用外擴(kuò)TCAM實現(xiàn)對表項查找，這里不作過多闡述。具體的外擴(kuò)TCAM硬件初始化的第2個步驟的實現(xiàn)如圖2所示［5］。

圖2 硬件初始化寄存器設(shè)置

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

5 小結(jié)

外擴(kuò)TCAM是實現(xiàn)內(nèi)存容量提升的新興技術(shù)，也是為解決內(nèi)存瓶頸而提供更多高位寬表項的策略［7］。通過在網(wǎng)絡(luò)處理器的可編程流水線上調(diào)用微引擎實現(xiàn)與外擴(kuò)TCAM的通信，能夠靈活地處理各種表項查找［8］。隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，基于網(wǎng)絡(luò)處理器外擴(kuò)TCAM的研究與實現(xiàn)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。

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