摘要：一種利用Verilog HDL設計CAM的方案，該方案以移位寄存器為核心，所實現的CAN具有可重新配置改變字長、易于擴展、匹配查找速度等特點，并在網絡協處理器仿真中得到了應用。

CAM（Content Addressable Memory，內容可尋址存儲器）是一種特殊的存儲陣列。它通過將輸入數據與CAM中存儲的所有數據項同時進行比較，迅速判斷出輸入數據是否與CAM中的存儲數據項相匹配，并給出匹配數據項的對應地址和匹配信息。CAM以其高速查找、大容量等特點而被廣泛地應用于電訊、網絡等領域。

本文介紹一種用Verilog HDL設計CAM的方案。該方案以移位寄存器為核心，具有可重新置改變字長、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。

與RAM相似，CAM是將數據項存儲在一個陣列中。每個數據項的位數叫做字寬，CAM中所有數據項的條數叫做CAM的深度。通過字寬和深度可以表征CAM中容量。

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輸入的數據將要被寫放哪一個單元；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讀入的數據與CAM中存儲的各條數據項進行并行比較。如果CAM中含有與此時輸入數據相匹配的存儲數據項，CAM將從MATCH_ADDR輸出此存儲數據項的地址，并且通過MATH_OK輸出匹配成功的信息。在查找匹配模式時，由于CAM是將輸入數據與存儲數據項并行比較，所以速度極快。同時，由于不需要通過地址線來尋址數據項，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的設計

為了說明設計方案，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，通過適當級聯，可以構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位的計數器和一個"二選一"的選擇器構成。如圖2所示。

在寫CAM模式時，WRITE_E信號有效，DATA_IN輸入的是將要寫入數據存儲項的4位數據。計數器進行從"1111"到"0000"的減計數，并將計數輸出值與DATA_IN輸入值進行比較。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輸入數據與計數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輸入的數據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據相同，即發生匹配；反之則輸出"0"，表示無匹配項。

以上討論只是針對4位字寬的數據項的讀寫，而對于更長字寬的數據項，必須進行字寬擴展。可用多個比較器和移位寄存器組成的存儲數據項并聯在一起，組成一個字結構，即把輸入的數據按每4位分為一組，每組對應一套比較器和移位寄存器，每組只產生一個最終的MTACH_OUT信號。例如，對于16位的數據項，就需要4組這樣的結構。這4組基本結構中的讀和寫可以同時完成。只有4組都產生匹配信號，最終的MATCH_OUT輸出才有"1"，表明讀入的16位DATA_IN數據與存儲的數據項匹配。

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

完整的CAM結構框圖見圖3。

3 基于移位寄存器的CAM的Verilog HDL實現

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

本設計以一個數據項字寬為16位、深度為8的CAM為例，進行Verilog HDL設計，并利用Xilinx Virtex系列中XCV1000器件進行綜合。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果，CAM中預先放入了0019H，001AH，…，001DH五個數據。CLK為系統時鐘，DATA_IN為數據輸入，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為是否發生匹配信號。從仿真波形可以看出，輸入數據經過兩個時鐘周期，輸出匹配信息，包括是否匹配和相匹配的存儲數據項的地址。如果不匹配，是否匹配的信號為0，而輸出地址線不變。

本方案以移位寄存器設計CAM，在寫模式下需要16個時鐘周期完成一個數據項的寫入；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，時鐘最高頻率可達80MHz以上。以本方案為基礎，擴展到32位、36位的實用化CAM已運用于網絡協處理器的仿真測試中，并取得了較好的效果。