CN107527653A - 演算n搜寻/m写入的三元内容可寻址内存(tcam) - Google Patents

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Abstract

本发明涉及演算N搜寻/M写入的三元内容可寻址内存(TCAM)，关于一种内容可寻址内存(CAM)，并且更尤其关于一种将X‑Y TCAM的多个复本实体化的演算三元内容可寻址内存(TCAM)。此结构包括内容可寻址内存(CAM)、以及顺着阵列的行方向与列方向将此CAM的多个复制复本实体化的该阵列。

Description

演算N搜寻/M写入的三元内容可寻址内存(TCAM)
技术领域
本发明关于一种内容可寻址内存(CAM)，并且更尤其关于一种将X-Y TCAM个体的多个复本实体化的演算三元内容可寻址内存(TCAM)。
背景技术
内容可寻址内存(CAM)为高速搜寻操作中所使用的特殊类型计算机内存。CAM设计成使得用户供应数据字符，并且CAM搜寻其整个内存以查看此数据字符是否有储存于CAM中。若查到此数据字符，则CAM回传查到此字符处的一或多个储存地址的列表。
CAM设计成用以在单一操作中搜寻其整个内存，使得CAM在大部分搜寻操作中快于随机访问内存(RAM)。然而，在CAM中，平行CAM中的各个别内存位必须具有其自有的相关联比较电路，用以侦测所储存位与输入位之间的匹配。再者，必须将数据字符中出自各胞元的匹配输出加以组合，以产出完整的数据字符匹配信号。
高效能高速缓存需要大型且完全相联的转译对应缓冲器(TLB)。为了在高效能高速缓存中于一周期内进行多个N搜寻及M写入，其中一种替代方案为建立将会支持所需效能的多写入多搜寻三元CAM(TCAM)胞元。TCAM容许三种匹配状态，其包括所储存数据字符中的一或多个位用的1、0及“X”(即随意)。然而，此方法需要专用的TCAM胞元，这就硬件电路系统而言成本很高。另一替代方案为使用位堆栈锁存器(Bit-Stacked-Latches)实施TCAM。然而，使用此位堆栈锁存器的TCAM个体与多端口选项有面积无效率(area inefficient)且效能有限的问题。
发明内容
在本发明的一态样中，一种结构包括内容可寻址内存(CAM)、以及经结构化用以顺着阵列的行方向与列方向将该CAM的多个复制复本实体化的矩阵。
在本发明的另一态样中，一种结构包含内容可寻址内存(CAM)结构的多个复制复本的矩阵，该矩阵包含多条写入行与搜寻列，经结构化而使得于容许在第一周期内执行搜寻命令并且在第二周期内执行写入操作的时间撷取多个操作。
在本发明的另一态样中，一种方法包含：于第一周期内，于复制的CAM个体中平行执行多个搜寻；以及于第二周期内，于该等复制的CAM个体中平行执行多个写入或读取。
附图说明
本发明是通过本发明的例示性具体实施例的非限制性实施例，参照注记的多个图式，在下文的具体实施例中详细说明。
图1根据本发明的态样展示CAM结构。
图2根据本发明的态样展示使用此CAM结构执行搜寻操作的第一周期。
图3根据本发明的态样展示使用此CAM结构执行写入操作的第二周期。
图4根据本发明的附加态样展示CAM结构。
图5根据本发明的态样展示使用此CAM结构的步骤流程图。
图6根据本发明的态样展示使用此CAM结构的另一步骤流程图。
主要组件符号说明
100、100’ CAM结构
100A至100F 行
200A至200D 列
350、350’、360、360’、370、370’ 搜寻
500至540、600至640 步骤
C1至C24 CAM个体。
具体实施方式
本发明关于一种内容可寻址内存(CAM)，并且更尤其关于一种将X-Y TCAM个体的多个复本实体化的演算三元内容可寻址内存(TCAM)。特别的是，本发明使用将X-Y TCAM个体的多个复本实体化的演算TCAM以达成每个周期TCAM操作所要求的N搜寻与M写入。在一特定实施例中，本发明容许每个周期执行三个搜寻及两个写入。有帮助的是，本发明通过复制X-Y TCAM的多个复本，提供可搜寻TCAM结构的改良型搜寻效能，用以达成每个周期TCAM进行N搜寻与M写入
在本发明的具体实施例中，一种方法可使用多个单埠CAM个体实施完全相干性的演算多埠CAM解决方案，其中M写入/N搜寻CAM使用2*N乘2*M CAM个体的阵列来实施。再者，在本发明的具体实施例中，每第二周期可撷取2*M写入与2*N搜寻这两个操作。此外，对该2*N条搜寻列的其中一者供应各搜寻操作，并且对该2*M条写入行的其中一者供应各写入操作。
在本发明的更特定具体实施例中，于容许在第一周期内执行搜寻命令并且在第二周期内执行写入操作的时间可撷取两组操作。再者，可在此搜寻执行期间进行此等写入操作彼此间的比较以维持相干性。接着，在执行此搜寻之后，可基于此搜寻操作的结果来执行此写入操作。在具体实施例中，本文中的程序可执行N个搜寻及M个写入，在一个周期内撷取此等搜寻及写入，以及对所有搜寻安排优先级并且在后续写入中对此等写入安排优先级。
在本发明的具体实施例中，X-Y TCAM个体可通过增加用以对此TCAM的X部分写入1并且对其Y部分写入1的周期数来寻址。再者，此CAM可随着CAM增大(即生长)到具有3*N条列及2*M条行而撷取为数3*N的操作。在这些具体实施例中，两个周期可进行此写入操作。此外，此阵列可包含2*M条写入行乘2*N条搜寻列的矩阵，用以在一时间撷取2*(N+M)个操作。
图1根据本发明的态样展示CAM结构。在具体实施例中，CAM结构100可以是包含数据搜寻字符的三元CAM(TCAM)，此等数据搜寻字符对于所储存字符中的一或多个位包含1、0及“X”或“随意”。或者，图1的CAM结构100可以是二元CAM，其对于所储存字符中的一或多个位，包含完全是1与0的数据搜寻字符。
如图1所示，CAM结构100包括经复制的CAM个体C1至C24(例如：C1、C2、…Cn)的阵列或矩阵。在具体实施例中，CAM个体C1至C24的阵列或矩阵可以是2*N乘2*M矩阵，其中N及M代表CAM个体C1的复制个体。更具体地说，如图1所示，CAM结构100可包括多条列100A、100B、100C、100D、100E及100F、以及多条行200A、200B、200C及200D，包含以C2至C24所表示的复制CAM个体。也就是说，这多条行与列为CAM个体C1的复制CAM个体。在具体实施例中，CAM个体C1至24为实体硬件电路。在具体实施例中，举一实施例来说，各CAM各为512字符乘40位。
虽然图1展示512x 40字节CAM个体的4x6矩阵，仍应了解的是，任何矩阵都在本发明的考虑范围内。CAM结构100可使用X-Y TCAM的512x80个体而实施为512x40值TCAM的N xM矩阵，其中值TCAM需要一个频率周期以更新TCAM项目内容，并且XY TCAM需要两个频率周期以更新TCAM项目内容。此外，虽然CAM个体C1代表512x40字节CAM，但本发明的具体实施例可包括其它CAM组态，例如：512x80字节CAM、512x160字节CAM(即以4x3矩阵实施的2项目内容/匹配线)、或任何其它CAM组态。
如图1所示，所绘示的是一组搜寻350、360及370。举例而言，搜寻350包括以“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”表示的六个操作。对于搜寻350，六个操作撷取于一时间。在本发明的具体实施例中，“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”可包含一数据字符或多个数据字符的任何组合。再者，操作“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”各可代表来自其余操作的一数据字符或多个数据字符的不同组合。
在操作时，如图1所表示，搜寻350将会搜寻“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”是否储存于CAM结构100中。若这六个操作(即“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”)储存于CAM结构100中，将会回传一命中，并且不需要进行写入操作。或者，若这六个操作(即“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”)中任一者未储存于CAM结构100中，将会回传不中，并且将会如本文所述进行写入操作。举例而言，此写入操作可包括写入“A”、“B”、“D”及“E”，每一个将在各别行被复制。
在具体实施例中，各字符A、B、C、D、E及F本质上为独立，若A不中，但B、C、D、E及F匹配，则A是唯一需要更新者。举另一例来说，本文中所揭示的程序可在第一周期内于复制的CAM个体中平行执行多个搜寻，并且独立于搜寻操作，在第二周期内于复制的CAM个体中执行多个写入或读取。此外，若CAM写入或搜寻操作取用多个周期，则CAM矩阵可生长用以容纳平行性所需的行与列。
再者，在具体实施例中，写入操作(例如：“D”、“E”、“F”)可有别于搜寻操作(例如：“A”、“B”、“C”)。在具体实施例的另一实施例中，此等搜寻操作可包括“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”，并且写入操作可包括“G”、“H”、“I”及“J”。换句话说，在具体实施例中，对于写入操作，不需要重复使用搜寻操作的字符。
图2根据本发明的态样展示在此CAM结构中执行搜寻的第一周期。在图2中，CAM结构100使用搜寻350来搜寻，例如：各别列100A至100F所进行的各操作“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”。举例而言，在CAM结构中，列100A使用操作“A”来搜寻，列100B使用操作“B”来搜寻等。
如图2以代表方式所示，若列100A的CAM个体(例如：C1、C7、C13及C19)其中一者具有与操作“A”的数据字符匹配的数据字符，则操作“A”的数据字符不需要在下一个周期被写入，若列100B的CAM个体(例如：C2、C8、C14及C20)其中一者具有与操作“B”的数据字符匹配的数据字符，则操作“B”的字符的数据字符不需要在下一个周期被写入，若列100C的CAM个体(例如：C3、C9、C15及C21)其中一者具有与操作“C”匹配的数据字符，则操作“C”的数据字符不需要在下一个周期被写入，列100D的CAM个体(例如：C4、C10、C16及C22)其中一者具有与操作“D”的数据字符匹配的数据字符，则操作“D”字符的数据字符不需要在下一个周期被写入，列100E的CAM个体(例如：C5、C11、C17及C23)其中一者具有与操作“E”的数据字符匹配的数据字符，则操作“E”的数据字符不需要在下一个被写入，以及列100F的CAM个体(例如：C6、C12、C18及C24)其中一者具有与操作“F”的数据字符匹配的数据字符，则操作“F”的数据字符不需要在下一个周期被写入。
因此，若列100A的CAM个体其中一者具有与操作“A”的数据字符匹配的数据字符、列100B的CAM个体其中一者具有与操作“B”的数据字符匹配的数据字符、列100C的CAM个体其中一者具有与操作“C”的数据字符匹配的数据字符、列100D的CAM个体其中一者具有与操作“D”的数据字符匹配的数据字符、列100E的CAM个体其中一者具有与操作“E”的数据字符匹配的数据字符、或列100F的CAM个体其中一者具有与操作“F”的数据字符匹配的数据字符，则回传命中，并且不需要进行“A”、“B”、“D”及“E”的写入操作。另一方面，若跨各别列中CAM个体中任一者未匹配操作“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”中任一者的数据字符(亦即，以下其中一者：列100A不含有“A”、列100B不含有“B”、列100C不含有“C”、列100D不含有“D”、列100E不含有“E”、列100F不含有“F”)，则回传对于相关联字符的不中，并且起始对于各别字元的写入操作。
在利用操作“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”搜寻CAM结构100的同时，可以在应该以循序方式写入(例如：“A”、“B”、“D”及“E”)的四个操作(即搜寻键)之间进行比较。因此，可在写入操作彼此间进行比较的同时，进行搜寻操作，以便维持相干性。所属领域技术人员将了解的是，图2中的所有这些操作都是在第一周期内进行的。此外，所属领域技术人员将了解的是“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”为搜寻的说明性、非限制性实施例，并且亦可在本发明的背景下进行其它操作(例如：搜寻360及370)。此外，虽然已将搜寻350中的“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”描述为操作，但所属领域技术人员将了解“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”各亦可称为搜寻键。
图3根据本发明的态样展示此CAM结构中执行写入操作的第二周期。在图3中，本发明的具体实施例假设操作“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”的数据字符并不匹配，回传不中，并且将会写入“A”、“B”、“D”及“E”的写入操作。具体而言，并且举说明性、非限制性实施例来说，在图3中，将会在包含复制的CAM个体的各别行200A、200B、200C及200D中写入“A”、“B”、“D”及“E”的写入操作。举例而言，将会在200A中写入“A”操作的数据字符与重复的复本。再者，将会在200B中写入“B”操作的数据字符与重复的复本。将会在200C中写入“D”操作的数据字符与重复的复本，并且将会在200D中写入“E”操作的数据字符与重复的复本。因此，将会在为数N的TCAM的各别行复制各字符。按照这种方式，图3中“A”、“B”、“D”及“E”的写入操作容许在下一组搜寻中平行出现评估。此外，所属领域技术人员将了解的是，在与所搜寻内存区域不同的CAM结构100的内存区域中可出现写入操作。
图4根据本发明的附加态样展示CAM结构。在本发明的具体实施例中，图4的CAM结构100’可以是TCAM，或者，可以是二元CAM。在任何组态中，CAM结构100’包含顺着行与列方向复制的CAM个体C1’。如这种组态中所示，可在2*Mx2*N矩阵中复制CAM个体C1’，其中M及可以是任何整数值。在具体实施例中，举例而言，N为大于或等于整数值M的整数值。然而，在更一般的具体实施例中，在此等写入不以搜寻所致的命中或不中为条件的情况下，N与M之间不需要有关系，亦即，具有100个搜寻与2个写入、或2个搜寻与100个写入是有可能的。
在图4中以代表方式所示的具体实施例中，CAM个体C1’为512x40字节CAM；但其它CAM组态于本文中也在考虑范围内。举例来说，CAM个体C1’可以是512x80字节CAM、512x160字节CAM(亦即，用4x3矩阵实施的2项目内容/匹配线)、或任何其它组态。按照这种方式，CAM个体C1’的多个复本实体化成2*Mx2*N矩阵值CAM中的实体硬件电路系统。
在图4的组态中，CAM结构100’每周期在例如512x40字节CAM上执行N个搜寻与M个写入。在图4中，于一时间撷取2N个操作。可采不同方式修改搜寻350’、360’及370’以包括2N个操作。举例而言，若每个周期需要三个搜寻(即N＝3)，则将会进行六个操作(“A”、“B”、“C”、“D”、“E”及“F”)。若CAM结构100’中未储存2N个操作中的任一个，则回传不中，并且写入2M个操作。举例而言，若每个周期需要两个写入(即M＝2)，则将会进行四个写入操作(例如：“A”、“B”、“D”及“E”)。在图4中，按照与图2及3以类似的方式进行写入操作及搜寻操作。
图5根据本发明的态样展示使用此CAM结构的步骤流程图。如所属领域技术人员应了解的是，本发明的态样是参照流程图说明来描述，其可代表方法及设备(系统)的简图。
请参阅图5，于步骤500，将CAM的2*N x 2*M阵列实体化成实体硬件电路系统，用以每个CAM阵列实施N搜寻/M写入。接着，于步骤510，CAM阵列设定成使得CAM阵列于一个时间撷取值得进行搜寻与写入操作的两个周期。于步骤520，对与步骤510平行的CAM阵列的唯一列套用步骤510中撷取的各搜寻键，然后跨CAM列组合搜寻结果。于步骤530，对CAM阵列的唯一行平行套用各写入，然后将数据写入此行中的所有CAM。于步骤540，完成此程序。
图6根据本发明的态样展示使用此CAM结构的另一步骤流程图。如所属领域技术人员应了解的是，本发明的态样是参照流程图说明来描述，其可代表方法及设备(系统)的简图。
请参阅图6，于步骤600，将CAM的2*Nx2*M阵列实体化成实体硬件电路系统，用以每个CAM阵列实施N搜寻/M写入。接着，于步骤610，CAM阵列设定成使得CAM阵列于一个时间撷取值得进行搜寻与写入操作的两个周期。于步骤620，可对CAM阵列的唯一行平行套用各写入数据，然后将数据写入此行中的所有CAM。于步骤630，对CAM阵列的唯一列套用步骤610中撷取的各搜寻键，然后跨CAM列组合搜寻结果。于步骤640，完成此程序。
本发明的可搜寻CAM结构可使用若干不同工具按照若干方式来制造。但一般来说，此等方法及工具用于形成尺寸在微米及纳米级的结构。用于制造本发明的可搜寻CAM结构的方法(即技术)已由集成电路(IC)技术所采用。举例而言，此等结构建置于晶圆上，并且实现于通过在晶圆顶端进行光刻程序所图案化的材料膜中。特别的是，可搜寻CAM结构的制造使用三个基本建构块：(i)在基材上沉积材料薄膜，(i i)通过光刻成像在此等膜上涂敷图案化掩模，以及(iii)对此掩模选择性蚀刻此等膜。
上述(多种)方法用于制作集成电路芯片。产生的集成电路芯片可由制作商以空白晶圆形式(亦即，如具有多个未封装芯片的单一晶圆)来分布，如裸晶粒、或已封装形式。在后例中，芯片嵌装于单芯片封装件(例如：塑料载体，具有黏贴至主板或其它更高层次载体的引线)中、或嵌装于多芯片封装件(例如：具有表面互连或埋置型互连任一者或两者的陶瓷载体)中。在任一例中，芯片接着是与其它芯片、离散电路组件及/或其它信号处理装置整合成(a)诸如主板的中间产品、或(b)最终产品中任一者的部分。最终产品可以是任何包括集成电路芯片的产品，范围囊括玩具与其它低端应用至具有显示器、键盘或其它输入设备及中央处理器的进阶计算机产品。
本发明各项具体实施例的说明已基于说明目的而介绍，但用意不在于穷举说明或局限于揭示的具体实施例。许多修改及变动对所属领域技术人员将会显而易见，但不会脱离所述具体实施例的范畴及精神。本文中使用的术语在选择上，是为了对市场现有技术最佳阐释具体实施例的原理、实务应用或技术改良，或使其它所属领域技术人员能够理解本文中揭示的具体实施例。

Claims (20)

1.一种结构，其包含：
内容可寻址内存(CAM)；以及
经结构化用以顺着矩阵的行方向与列方向将该CAM的多个复制复本实体化的该矩阵。
2.如权利要求1所述的结构，其中，该矩阵包含2*M条写入行乘2*N条搜寻列复制CAM的矩阵，其中，M与N为整数值。
3.如权利要求2所述的结构，其中，该整数值N大于该整数值M。
4.如权利要求2所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得2*N个搜寻操作各执行于该2*M乘2*N矩阵中的一对应2*N搜寻列上，用以搜寻该矩阵中是否储存该2*N个搜寻操作的任何搜寻键。
5.如权利要求2所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得2*M个写入操作各执行于该2*M乘2*N矩阵中2*M条行的一对应行上。
6.如权利要求5所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得2*M个写入操作各回应于前一个2*N搜寻操作的至少一个搜寻键，而执行于该2*M乘2*N矩阵中2*M条行的该对应行上。
7.如权利要求5所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得2*M个写入操作各在该2*M乘2*N矩阵中2*M条行的该对应行被复制。
8.如权利要求4所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得对该2*N条搜寻列其中一者供应各搜寻操作，并且对各该2*M条写入行供应各写入操作。
9.如权利要求1所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得每第二周期撷取2*M个写入与2*N个搜寻这两个操作。
10.如权利要求1所述的结构，其中，该CAM为三元CAM(TCAM)及二元CAM其中一者。
11.一种结构，其包含内容可寻址内存(CAM)结构的多个复制复本的矩阵，该矩阵包含多条写入行与搜寻列，经结构化而使得于容许在第一周期内执行搜寻命令并且在第二周期内执行写入操作的时间撷取多个操作。
12.如权利要求11所述的结构，其中，该矩阵经结构化而容许在值得操作的多个周期之间进行比较，以维持相干性。
13.如权利要求11所述的结构，其中，该矩阵经结构化而使得该写入操作在该CAM结构的对应行复制字符。
14.如权利要求13所述的结构，其中，该写入操作基于多个搜寻操作中任一者的结果而于该第二周期内执行。
15.如权利要求11所述的结构，其中，该矩阵包含2*M条写入行乘2*N条搜寻列的矩阵，用以在一时间撷取2*(N+M)个操作。
16.如权利要求11所述的结构，其中，该CAM为三元CAM(TCAM)及二元CAM其中一者。
17.一种方法，其包含：
于第一周期内，于复制CAM个体中平行执行多个搜寻；以及
于第二周期内，于所述复制CAM个体中平行执行多个写入或读取。
18.如权利要求17所述的方法，其中，若所述写入或搜寻取用多个周期，则所述复制CAM个体的CAM矩阵将会生长用以容纳平行性所需的行或列。
19.如权利要求18所述的方法，其中，各2*M行中的所述写入操作出现于至少该第一周期内，并且所述2*N条列的各列的该搜寻出现于该第二或更大周期内。
20.如权利要求18所述的方法，其中：
所述多个搜寻的执行包含在包含CAM的个体的复制的复本的该CAM矩阵中的各列中搜寻一操作；以及
该多个写入的执行包含回应于回传的所述搜寻操作，在一行的该CAM的各复制复本中写入相同项目内容。
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