基于网络处理器外扩TCAM的研究与实现

李诗革，李文耀，王 欢

(武汉邮电科学研究院，湖北武汉430074)

随着网络的不断发展，传统的纯硬件专用交换芯片内缺乏拓展性，这使得它不具备各种数据业务表项的存储功能，跟不上现代网络发展的速度，基于网络处理器的TCAM扩展就是在这种背景下产生的。TCAM全称为三态内容寻址存储器，在网络高度发展的今天，它作为网络处理器查找ACL路由表项的关键技术在于TCAM芯片的灵活匹配性能和硬件可拓展性，灵活的匹配性能可以任意匹配320位宽的表项字段，硬件的拓展性在于它能够级联多片TCAM芯片，扩展其内存空间，总之研究和实现网络处理器外扩TCAM将会对各种表项的存储具有指导意义。

1 网络处理器基本概念

网络处理器是专门处理数据包业务而开发的网络产品，它灵活的可编程能力和强大的接口扩展能力，在各种系统平台设计当中都起了主导作用［1］。可编程能力方面体现在其流水线支持可编程的指令集，利用可编程的指令集可以编写微码实现各种业务的处理。而强大的接口扩展能力是实现表项外部存储的关键技术，同时支持PCIe接口，实现网络处理器与CPU的连接通信。网络处理器很好地体现了上述思想，在高性能、灵活性和低成本等几个目标之间进行了良好的折中。优异的性价比、高度的灵活性、软件升级能力和较短的上市时间是网络处理器在1P网络设备开发方面的主要优势。

2 TCAM的内存管理

外扩TCAM的内存分配由具体TCAM芯片的容量决定，对于不同型号的TCAM芯片，内存的分配采用的模式不一致［2］。TCAM芯片的内存分配由Super Bank号和Bank号共同作用，一个Super Bank号包含4个Bank号，它们将地址空间分成不同的片区，每个片区的内存空间都是一样的，对于20 Mbit的TCAM芯片，总共16个Super Bank号0～15，那么对应的Bank号就是0～63。不同的片区可以存放不同位宽的表项，将各种表的表项区分开来，有利于微引擎更好地对各种表项进行查找。网络处理器通过可编程流水线调用微音器查找TCAM表项时，通常会与SRAM表项配合使用。在下发表项的时候，表项的匹配字段存放在TCAM表中，而回应结果放在SRAM表当中。在TCAM表中，采用Lookup操作实现对表项索引号的获得，然后通过索引号到SRAM中去寻找相应的条目，并回送结果。

内存分配管理的关键在于网络处理器查找表项时的地址内存映射，在微引擎查找表项时，采用外扩TCAM的逻辑号对应于各种表的地址和位宽，然后到具体表中去匹配相关字段，获取索引号。TCAM逻辑号是通过低层驱动代码定义的，它分配了16个逻辑号，每个逻辑号查找的位宽都有规定，然后通过微码中定义的TCAM表的地址和索引号计算出SRAM中查找表项的绝对地址获得相应的查找结果。

3 网络处理器外扩TCAM的设计

网络处理器通过可编程流水线的微码控制实现对数据业务的处理，在数据业务中，从不同端口进入网络处理器的数据包，会解析数据包头部的相关字段，通过相关字段，在内部集成的TCAM和SRAM去匹配表项的字段，获得相应的数据结果，再利用回送的结果继续匹配其他表项。然而在这一过程中，一旦出现TCAM或SRAM的内存不够和表项位宽大于每个地址单元的位宽情况时，网络处理器可以通过外扩TCAM的方案解决上述问题。

如图1所示，在外扩TCAM的设计中，网络处理器模块包含两个组成部分，即微引擎单元和可编程流水线，微引擎单元对表项的各种操作抽象成一个集合，通过预编写指令系统下发指令控制各种表项操作。在可编程流水线处理各种数据包时，会利用各个微引擎访问点调用微引擎的相关操作进行对外扩TCAM表项的读写。可编程流水线通过请求通道和回应通道与微引擎单元进行通信，请求通道的位宽是160 bit，主要包含相应的请求字段;回应通道的位宽是128 bit，由TCAM的返回字段组成。微引擎单元经过复杂的数据处理通过TCAM PHY口将数据总线、地址总线、时钟总线连接到外部TCAM的芯片引脚上去［3］。

图1 网络处理器外扩SDRAM设计

由于各PHY对于工作时序有着严格的要求，所以单在初始化时对几个DLL模块进行简单的默认值配置是无法满足具体使用需求的。所以应该在其初始化以后，开始使用微码引擎以前，执行PHY的读写校准流程。

4 外扩TCAM的具体实现

外扩TCAM的具体实现体现在硬件初始化方面和软件表项的存储和查找，硬件初始化主要是通过驱动代码实现，集成于控制平面代码当中。而软件表项的存储和查找实现对外扩TCAM的访问代码，集成于流水线处理业务的微码当中。微码负责调用微引擎，微引擎负责执行查表操作［4］。

硬件初始化是针对TCAM芯片设备的就绪问题，在这一过程中TCAM芯片要经历以下4步：

1)根据实际PCB的布局走线，获取实际初始化参数。

2)获得了初始化参数后，进行基本的初始化设置，配置相关寄存器状态。

3)配置好寄存器的初始化状态后，进行读写校验。

4)读写校验完毕后，最后进行TCAM芯片自检。

这4个步骤缺一不可，而且相互联系，在进行初始化过程中，如果某一个步骤不合格，将会造成初始化不成功，因此在调试时要对每个步骤进行定位，查找打印相关参数信息。

在软件表项的存储和查找的实现当中，主要是对外扩TCAM的访问，具体要针对不同的数据业务使用外扩TCAM实现对表项查找，这里不作过多阐述。具体的外扩TCAM硬件初始化的第2个步骤的实现如图2所示［5］。

图2 硬件初始化寄存器设置

图2中，DLL是针对PHY中所提到的数据锁，主要是配置相位，它分为主数据锁和从数据锁，这个是根据具体走线、线宽来计算出主数据锁的相位和从数据锁，在配置主从数据锁时，先将主从数据锁寄存器设置为0，然后将实际数据写入寄存器。配置时钟和请求控制寄存器时，同样是调节相位，调节它与地址总线、时钟总线的相位关系。配置I/O控制寄存器是对时钟、地址、数据的同步关系的确定［6］。

5 小结

外扩TCAM是实现内存容量提升的新兴技术，也是为解决内存瓶颈而提供更多高位宽表项的策略［7］。通过在网络处理器的可编程流水线上调用微引擎实现与外扩TCAM的通信，能够灵活地处理各种表项查找［8］。随着网络数据业务的迅速发展，基于网络处理器外扩TCAM的研究与实现提供了一个良好的研究平台，具有很高的使用价值和市场价值。

［1］王峻鹏，周华东，王卫城，等.全分布式存储非编网络的设计与实现［J］.电视技术，2007，31(8)：82-83.

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［4］李诚，李华伟.网络处理单元的设计与实现［J］.计算机工程，2007，33(2)：253-254.

［5］科默.网络处理器与网络系统设计［M］.北京：机械工业出版社，2004.

［6］范荣真，沈凤池，杨东勇，等.网络处理器下一代网络发展的核心技术［J］.中国有线电视，2003(16)：16-18.

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