Verilog开源项目——百兆以太网交换机（五）TCAM单元设计

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  Atom支持了包过滤特性，为了支持过滤的多样性，Atom将使用TCAM来存储过滤规则，以实现带优先级的1k条规则匹配，包过滤模块会根据接受包的特征向TCAM发起匹配请求，若匹配成功则进行对应操作，若匹配失败则按部就班的转发。

  而为了便于实现，以及资源的平衡，Atom TCAM将使用SRAM实现，并采取分层分列的小块SRAM结构。

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一、Feature

• SRAM实现形式；
• 支持分层，分列的TCAM；
• 支持pipeline处理，每cycle查询一次规则；
• 支持添加、查找、删除规则；

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二、概述

  Atom TCAM是为了实现PF中包过滤的特性，用来判断接收到的packet是否符合用户下达的某些规则。

  由于DPI功能过于复杂，所以Atom将DPI简化为包过滤特性，计划支持1K条包过滤规则。使用源地址、目的地址、源端口、目的端口、协议类型、报文长度和TCP flags共128-bits组成固定关键词，所以TCAM大小为128-bits x 1k。

  考虑到额外调用一个TCAM IP对成本和移植性不够友好，我们在此使用SRAM来实现TCAM的功能，并通过分层分列的划分方式减少SRAM的用量。
除了PF通过TCAM查询规则外，也有外部通道支持用户直接添加、删除、查询规则。

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a）TCAM原理

  TCAM是一种三态内容寻址存储器，其比CAM增加了X态的内容寻址，x表示不论0、1都能匹配，TCAM寻址过程如下（和哈希表原理一样）：

1. 当搜索内容为‘010’时，TCAM搜索到对应内容的地址为0；
2. 当搜索内容为‘001’时，TCAM搜索到内容符合‘00x’，对应地址为2；
   

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b）TCAM分层分列

  考虑到在工程实现与移植方面，本设计使用SRAM来实现TCAM功能，参考《基于SRAM的硬件搜索引擎设计与实现》[1] 有关想法。

  用SRAM实现TCAM本质是将关键字内容作为SRAM的地址，将TCAM的地址映射为onehot形式的数据，表示是否存在对应关键字信息，具体过程如下图：

  例如TCAM的第一行数据‘001’，其对应SRAM中第二行的bit0，通过SRAM的行编码表示关键字，SRAM的列编号表示该关键字在TCAM的哪一行中。

  同理，TCAM的第八行数据‘1x1’应该映射到SRAM中‘101’行和‘111’行中的bit7。

  如果直接把128-bits x 1k rules的TCAM通过SRAM实现，将需要极大的SRAM，如果通过分列的方式，能有效的减少SRAM的使用量。

  如果是不分列的4-bits x 8的TCAM，需要一块8-bits x 16的SRAM来实现；但经过上图分列后的TCAM，只需要两块8-bits x 4的SRAM实现，节省了50%的SRAM使用量。

  而分列的本质意义就是将TCAM进行横向的拆分，拆成多个小TCAM进行并行的内容匹配，再相互&，只有所有小TCAM都匹配上时，才视为匹配成功，这个优化能以指数级降低SRAM深度。

  另一方面，为了更好的适配FPGA中的BRAM，我们将TCAM的行也进行分割，称为分层，具体如Atom TCAM架构图所示，这样一整个TCAM被分为多个小块，能更容易的划分SRAM的大小。每层之间采用优先编码器进行地址的选择，具体如下图所示:

  例如关键字‘00’同时hit了地址0、2、3、5，但根据优先级原则，TCAM会返回地址0。

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c）外部通道

  PF只会发送search请求，而外部通道还可能发送add、delete请求，当发送该类请求时，需要带上对应地址，也就是rule序号，该序号也代表了该rule的优先级。如果是search请求，不需要输入地址。

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三、接口

本次设计主要参考以下两篇论文，侵权必删：

【1】 杨蕊. 基于SRAM的硬件搜索引擎设计与实现[D]. 大连理工大学, 2020. DOI:10.26991/d.cnki.gdllu.2020.002322.
【2】 施自林. 基于SRAM的TCAM存储优化技术研究[D]. 国防科技大学, 2020. DOI:10.27052/d.cnki.gzjgu.2020.000507.

若有不专业或错误之处，欢迎指正！

具体电路实现及验证环境代码会在准备完毕后开源，目前暂时不能给出，请见谅

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