출처: News & Views Korean Edition / First Quarter, February 2000 / p.14~p.16

APEX 디바이스의 CAM 구현

CAM (Content-addressable memory) 디바이스는 신속한 검색을 요하는 애플리케이션에서 유용하다.  CAM에 저장된 데이터는 단일 클럭 사이클안에서 철저히 검색될 수 있는 패턴세트로 만들어져 있다.  만약 CAM에 입력 되는 패턴이 CAM에 저장되어 있는 패턴과 매치되면, 매칭되는 저장된 패턴의 어드레스가 만들어진다.  APEX™ 20KE 디바이스는 "don't care" 비트가 있는 메모리 워드에 패턴 저장을 할 수 있게 하는 CAM 타입인 3원 CAM (ternary CAM) 을 지원한다.  Quartus™ 소프트웨어 1999.10 버전 및 그 이상의 버전에서는 CAM 사용 설계를 지원한다.  altcam 메가펑션을 이용하여 Quartus 소프트웨어로 CAM 구현을 할 수 있다.

altcam 메가펑션

altcam 메가펑션 (그림 1 참조) 은 저장된 패턴 비트가 이진수 1비트, 이진수 0비트 혹은 don't care 비트로서 규정되도록 한다.

CAM에 패턴 기록

altcam 메가펑션에 새 패턴을 기록하거나 저장된 패턴을 새 패턴으로 대체하는 것은 pattern[], wrx[], wrxused, wrdelete, wren, 그리고 wraddress[] 포트들을 포함한다.

don't care 비트가 있는 패턴이 3개의 클럭 사이클을 요하는 반면에 don't care 비트가 없는 패턴은 2개의 클럭 사이클 내에서 기록될 수 있다.  모든 기록 사이클동안 wren은 assert 되어야 하며 wraddress[]과 pattern[]은 불변하여야 한다.

만약 패턴이 don't care 비트를 포함하고 있지 않다면 2개의 클럭 사이클동안 pattern[]과 wren, 그리고 wraddress[]를 assert 하는 것은 충분하다.  don't care 비트는 wrx[] 포트를 사용하여 추가될 수 있다.  wrx[]에 0을 가진 비트는 유효한 패턴 비트를 표시하고 wrx[]에 1을 가진 비트는 don't care 패턴 비트를 표시한다.  wrx[] 포트가 사용되는 경우 wrx[], wrxused, pattern[], wren, 그리고 wraddress[]는 3개의 클럭 사이클동안에 assert되어야 한다.

또한 2개의 사이클 동안 wrdelete와 wren을 assert함으로써 altcam 엔트리를 삭제할 수 있다.  이 시간에 wraddress[]는 삭제 되어야 할 데이터의 어드레스를 가리켜야 한다.  pattern[], wrx[] 그리고 wrxused 입력들은 삭제 사이클동안 무시된다.

디바이스 Configuration동안에 CAM을 초기화 시키기 위하여 인텔의 Hexadecimal 포맷 파일 (.hex) 이나 메모리 initialization 파일 (.mif) 을 사용할 수 있다.  MIF는 don't care와 never match비트를 지원한다.  HEX 파일에서는 이러한 별도의 state를 지원하기 위해서 또 다른 HEX 파일을 사용하여야 한다.: 하나의 파일은 데이터 (0과 1) 를 초기화 (intialize) 하고 두 번째 파일은 don't care와 never match 비트를 세팅한다.  만약 두 번째 선택 가능한 초기화 파일을 사용한다면 그것은 <first file name>_udc.hex로 이름 붙여야 한다.

CAM의 데이터 읽기

altcam 메가펑션으로부터 데이터를 읽기 위해서는 3가지의 다른 모드를 사용할 수 있다.

• 단일-매치 모드
• 다수-매치 모드
• 빠른 다수-매치 모드

다수-매치 모드와 빠른 다수-매치 모드에서 외부 순위 인코더 (priority encoder) 는 인코딩된 매치 어드레스 출력 maddress[]를 만든다.  결과적으로 위에 열거된 모드에서 이 출력을 사용하면 로직 활용도가 높아진다.

세 모드에서 인코딩된 (maddress[]) 출력과 인코딩되지 않은 (mbits[]) 출력 둘 다 사용할 수 있다.  외부 로직은 mfound와 mcount[]를 만들어 전체적인 매치 기능을 제공한다.

단일-매치 모드

단일-매치 모드 (match_mode = "multiple") 에서, altcam으로부터 데이터를 읽기 위하여는 오직 하나의 inclock 클럭 사이클이 필요하다.

입력 패턴이 altcam에 저장된 패턴과 매치될 때, 매치 플래그 (mfound) 는 assert되고 매치 어드레스는 maddress[]에 보내진다.  출력 포트 mbits[]는 인코딩 되지 않은 매치 버전을 제공한다.  이 모드에서 매치의 수 (mcount[]) 를 가리키는 출력은 항상 0이나 1이다.

단일-매치 모드에서 만일 같은 입력 패턴과 매치되는 다수의 패턴이 있을 경우 altcam은 제대로 작동되지 않을 것이다.  만일 다수의 입력 패턴들이 있다면 시뮬레이션 동안 altcam은 이것을 알려준다.

이 단일-매치 모드에서 32워드 이상의 CAM 블록 지원하기 위하여 altcam 메가펑션은 다수의 임베디드 시스템 블록 (ESB) 을 사용한다.  그러나 지원되는 최장 데이터의 폭은 32비트이다.  32비트 보다 큰 입력 패턴 폭에 대해서는 altcam은 자동적으로 빠른 다수-매치 모드로 스위치된다.

don't care 비트를 altcam에 기록하기 위해서는 3개의 클럭 사이클동안 wrused를 높게 assert하고 waddress[]와 pattern[] 그리고 wren[]은 유효한 상태로 유지하여야 한다.  wrx[]에 있는 1은 don't care비트를 가리킨다.  그림 2의 예를 들어 보면 어드레스 010에 있는 wrx[]는 100이며 이는 제일 중요한 비트가 don't care 비트인 것을 의미한다.  결과적으로 110이나 010을 읽을 때 어드레스 010에서 매치를 발견할 것이다.

다수-매치 모드

다수-매치 모드 (match_mode = "multiple") 에서 메가펑션은 ESB가 각 클럭 사이클에서 16개의 출력을 만들기 때문에, altcam으로부터 데이터를 읽고 유효한 출력을 만드는데 2개의 inclock 사이클이 필요하다.  결과적으로 ESB로부터 32개의 출력을 만들기 위해서는 2개의 사이클이 필요한 것이다.

새로운 패턴에 대해서 altcam 메가펑션을 찾아보기 위해서는 패턴 데이터를 pattern[] 포트에 적용하고 mstart 입력을 assert해야 한다.  만약 입력 패턴이 저장된 패턴 중 하나와 매치되면, mfound는 높게 assert하고, maddress[]는 첫번째 매치어드레스를 제공한다 (두 사이클 딜레이 후에).  다른 매치 어드레스는 다음 클럭 사이클에서 만들어질 수 있다.  mnext를 assert하고 mstart 이후에 2개의 클럭 사이클 이하로 유지해야 한다.  출력 포트 mbits[]는 인코딩 되지 않은 매치 버전을 제공한다.  출력 포트 mcount[]는 전체 매치의 개수를 계산한다.

이 다수-매치 모드에서 각 클럭 사이클에서 짝수 혹은 홀수 ESB 출력간의 선택을 하기 위하여 MSB 비트가 사용되기 때문에 각 ESB는 31-비트의 데이터를 지원한다.  그러나 다수-매치 모드는 32-워드 x 31-비트 ESB를 캐스캐이딩 (cascading) 함으로써 더욱 큰 CAM을 지원할 수 있다.

그림 3은 다수-매치 모드의 Waveform을 보여준다.  이 다수-매치 모드에서 mstart는 제일 낮은 매치 어드레스의 위치를 알려주고 mnext는 maddress[]에 있는 다음 매치 위치를 제공한다.  mstart가 assert된 후로 2개의 클럭 사이클보다 오래 mnext시그널을 assert하지 말아야 한다.  이 예에서 데이터 1은 세 위치에서 기록된다.: 1,3, 그리고 5이다.

mstart를 assert하면 maddress[] 포트에서 어드레스 위치 1을 제공하고 mnext를 assert하면 다음 위치인 3과 5를 제공한다.  mcount[] 시그널은 전체 매치의 개수를 보여주며 이 예에서는 3이다.

빠른 다수-매치 모드

빠른 다수-매치 모드 (match_mode = "fast_multiple")는 다수-매치 모드와 유사하다.  차이점은 빠른 다수-매치 모드가 altcam으로부터 데이터를 읽고 유효한 출력을 만드는데 하나의 inclock 클럭 사이클이 소요된다는 점이다.  이것은 각 ESB의 메모리의 절반만을 사용하기 때문에 가능하다.  결과적으로 ESB 활용은 더욱 크게 되지만 데이터는 하나의 사이클에서 altcam 외부에서 읽혀진다.

빠른 다수-매치 모드에서 대부분의 입력과 출력 포트들은 몇 가지 예외만 빼고 다수-매치 모드와 동일하다.

maddress[], mcount[], mfound, pattern[], wrx[] 그리고 wren과 같은 포트들의 기능은 다수-매치 모드에서와 같다.  읽기가 하나의 클럭 사이클을 넘지 않으므로 rbusy 포트는 빠른 다수-매치 모드에서는 사용되지 않는다.  매치된 어드레스 위치가 필요하지 않을 경우에는 (maddress[]가 사용되지 않는 경우) mstart와 mnext 포트들은 이 모드에서는 필요하지 않으며 오직 mbits[] 출력이 매칭 어드레스의 인코딩 되지 않은 버전을 제공한다.  만약 maddress[] 출력 포트가 사용된다면, 처음과 그 다음 매칭 어드레스를 제공하기 위하여 mstart와 mnext가 사용되어야만 한다.

빠른 다수-매치 모드에서, 다수의 ESB를 캐스캐이딩 함으로써 altcam 메가펑션은 32워드 및 비트 이상의 CAM 블록을 지원한다.  그림 4는 빠른 다수-매치 모드의 시뮬레이션 결과를 보여 준다.

CAM 모드 비교

CAM 모드의 성능과 활용도를 비교하기 위하여 32-워드 x 32-비트 CAM이 EP20K200E-1 디바이스에 컴파일 되었다.  표1은 이 컴파일 결과를 보여준다.

결론

Quartus 소프트웨어 1999.10 버전 및 그 이상의 버전은 APEX 20KE 디바이스의 CAM 구현을 지원한다.  설계 필요에 따라 altcam 메가펑션을 사용하여 어떤 CAM 모드도 구현할 수 있다.  더욱이 MIF와 HEX 파일은 CAM을 사용하여 CAM 초기화를 지원한다.  CAM을 사용하여 검색을 요하는 어떠한 디자인도 신속하게 설계할 수 있는 것이다. (2000.6.26)