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一种基于移位寄存器的CAM的Verilog HDL实现 来源:本站整理•作者:佚名• 2009-06-20 12:49 • 次阅读 • 个评论

摘要:一种利用Verilog HDL设计CAM的方案,该方案以移位寄存器为核心,所实现的CAN具有可重新配置改变字长、易于扩展、匹配查找速度等特点,并在网络协处理器仿真中得到了应用。

关键词:CAM 移位寄存器 Verilog HDL

CAM(Content Addressable Memory,内容可寻址存储器)是一种特殊的存储阵列。它通过将输入数据与CAM中存储的所有数据项同时进行比较,迅速判断出输入数据是否与CAM中的存储数据项相匹配,并给出匹配数据项的对应地址和匹配信息。CAM以其高速查找、大容量等特点而被广泛地应用于电讯、网络等领域。

本文介绍一种用Verilog HDL设计CAM的方案。该方案以移位寄存器为核心,具有可重新置改变字长、易于扩展、匹配查找速度快等特点。

1 CAM功能描述

CAM的基本框图如图1所示。

与RAM相似,CAM是将数据项存储在一个阵列中。每个数据项的位数叫做字宽,CAM中所有数据项的条数叫做CAM的深度。通过字宽和深度可以表征CAM中容量。

在写CAM模式(配置)时,WRITE_E信号有效,MATCH_E信号无效,此时通过地址线ADDR选择DATA_IN输入的数据将要被写放哪一个单元;在读CAM模式(查找匹配)时,WRITE_E信号无效,MATCH_E信号有效,CAM将不使用地址线,而是直接将DATA_IN读入的数据与CAM中存储的各条数据项进行并行比较。如果CAM中含有与此时输入数据相匹配的存储数据项,CAM将从MATCH_ADDR输出此存储数据项的地址,并且通过MATH_OK输出匹配成功的信息。在查找匹配模式时,由于CAM是将输入数据与存储数据项并行比较,所以速度极快。同时,由于不需要通过地址线来寻址数据项,CAM将不受地址线宽度的限制,容易扩展。

2 基于移位寄存器的CAM的设计

为了说明设计方案,以一个宽度为4位、深度为1的基本CAM存储单元为例。利用这样一个基本存储单元,通过适当级联,可以构成任意字宽和深度的CAM。该基本单元采用一个16位的移位寄存器、一个4位的比较器,外加16位的计数器和一个"二选一"的选择器构成。如图2所示。

在写CAM模式时,WRITE_E信号有效,DATA_IN输入的是将要写入数据存储项的4位数据。计数器进行从"1111"到"0000"的减计数,并将计数输出值与DATA_IN输入值进行比较。若二者相同,比较器输出"1"到移位寄存器中;不同则输出"0"到移位寄存器中。在16个时钟周期之后,将完成DATA_IN输入数据与计数器输出的所有情况的比较。这样,移位寄存器中将存入15个"0"和一个"1"。

在读CAM模式时,MATCH_IN为"1",此时,DATA_IN输入的数据直接送到移位寄存器的地址端,它将决定移位寄存器输出其16个位中的哪一位。如果该位输出"1",则表示此时DATA_IN与原来写入该单元的数据相同,即发生匹配;反之则输出"0",表示无匹配项。

以上讨论只是针对4位字宽的数据项的读写,而对于更长字宽的数据项,必须进行字宽扩展。可用多个比较器和移位寄存器组成的存储数据项并联在一起,组成一个字结构,即把输入的数据按每4位分为一组,每组对应一套比较器和移位寄存器,每组只产生一个最终的MTACH_OUT信号。例如,对于16位的数据项,就需要4组这样的结构。这4组基本结构中的读和写可以同时完成。只有4组都产生匹配信号,最终的MATCH_OUT输出才有"1",表明读入的16位DATA_IN数据与存储的数据项匹配。

CAM只需要存储多个数据项,因此需要多个字结构的深度扩展。将这些字结构中的比较器和移位寄存器分别组合在一起,构成比较器阵列和移位寄存器阵列。为了在写CAM时进行写入数据的定位,还需要一个地址译码模块来指出是对哪一个数据项进行写操作。在读CAM时,得到输入数据与各个存储数据项的匹配信息之后,还要对这些匹配信息进行编码,得到最后要输出的相匹配的存储数据项的地址MATCH_ADDR和是否发生匹配的信息MATCH_OK。

完整的CAM结构框图见图3。

3 基于移位寄存器的CAM的Verilog HDL实现

硬件描述语言VerilogHDL是一种应用于电路设计的描述语言,具有行为级、寄存器传输级、逻辑门级和开关级等多层次描述。它简单易读,描述与工艺无关,并且得到许多EDA工具的支持。利用Verilog HDL语言进行电路设计可以大大节省设计时间和成本。

本设计以一个数据项字宽为16位、深度为8的CAM为例,进行Verilog HDL设计,并利用Xilinx Virtex系列中XCV1000器件进行综合。综合后的仿真分析表明,该方案是合理可行的。

图4为匹配查找的时序仿真结果,CAM中预先放入了0019H,001AH,…,001DH五个数据。CLK为系统时钟,DATA_IN为数据输入,MATCH_ENABLE为读CAM(查找)允许信号,GLOBAL_RST为全局清零信号,R_MATCH_ADDR为匹配地址输出信号,R_MATCH_OK为是否发生匹配信号。从仿真波形可以看出,输入数据经过两个时钟周期,输出匹配信息,包括是否匹配和相匹配的存储数据项的地址。如果不匹配,是否匹配的信号为0,而输出地址线不变。

本方案以移位寄存器设计CAM,在写模式下需要16个时钟周期完成一个数据项的写入;读模式仅需一个时钟周期。它具有速度快、易于重新配置、易于扩展等特点。本方案中的CAM利用Xilinx Virtex系列器件实现,时钟最高频率可达80MHz以上。以本方案为基础,扩展到32位、36位的实用化CAM已运用于网络协处理器的仿真测试中,并取得了较好的效果。


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为旗下强化了的74HC、74HCT、74AHC及74AHCT CMOS (互补金属氧化物半导体) 逻辑系列,新增标准的移位寄存器及译码器逻辑集成电路。2013-07-09 15:36:12735移位寄存器及其应用实验一、实验目的 1、了解集成移位寄存器的控制功能。 2、掌握集成移位寄存器的应用。 二、实验原理 移位寄存器的功能是当时钟控制脉冲有效时,寄存器中存储的数码同时顺序向高位(2012-07-16 23:01:02228位移位寄存器行选电路图图 8位移位寄存器行选电路图 电路图详细介绍,请参考原文: 基于单片机的LED汉字条屏显示技术2012-05-18 11:49:404828M4K块移位寄存器数据读进方式的逻辑分析仪设计本文以三星的SDR SDRAM(K4S64632)作为存储器,通过FPGA内部的M4K块作为移位寄存器不断的进行读进数据的方式,在不中断程序运行的情况下实现有效数据不间断的读进,设置3种采样模式,结2011-12-19 10:10:131771基于FPGA的可变长度移位寄存器优化设计本文以最大可变长度为N、宽度为1bit的移位寄存器为模型,讨论如何从结构上优化可变长度移位寄存器和有效的FPGA实现。至于宽度不为1bit的情况,可以此类推2011-07-23 10:56:573334高性能32位移位寄存器单元的设计本文采用的矩阵-树状结构移位寄存器,配合指令预处理技术,能有效实现32位数据的移位操作,并兼容INTEL X86系列的所有移位类指令还可作为通用硬件方便地移植到其他指令级别的CPU设2011-07-02 11:12:51218174HC595 CMOS移位寄存器中文资料74HC595 是一款漏极开路输出的CMOS 移位寄存器,输出端口为可控的三态输出端,亦能串行输出控制下一级级联芯片。2011-04-14 17:54:5473174ls595中文资料,pdf (移位寄存器)74595的控制端说明:/ MR (10脚): 低点平时将移位寄存器的数据清零。通常我将它接Vcc。SHcp (11脚):上升沿时数据寄存器的数据移位。QA-- QB-- QC-- ...-- QH;下降沿移位寄存2010-05-16 17:37:06517寄存器与移位寄存器寄存器与移位寄存器寄存器是用来寄存数码的逻辑部件,所以必须具备接收和寄存数码的功能。任何一种触发器都可以构成寄存器,每一个触发器存放一位二进2010-03-12 15:19:4054移位寄存器的工作原理是什么?移位寄存器的工作原理是什么?把若干个触发器串接起来,就可以构成一个移位寄存器。由4个边沿D 触发器构成的4位移位寄存器逻辑电路如图8.8.1所示。数据从串行输入2010-03-08 14:56:5541808移位寄存器的工作原理是什么?移位寄存器的工作原理是什么?把若干个触发器串接起来,就可以构成一个移位寄存器。由4个边沿D 触发器构成的4位移位寄存器逻辑电路如图8.8.1所示。数据从串行输入2010-03-08 14:55:441452寄存器培训教程寄存器培训教程7.4.1 寄存器1.定义2.电路举例 3.逻辑功能分析7.4.2 移位寄存器一、单向移位寄存器㈠ 由4个维持阻塞D触发器2010-03-08 14:52:561038移位寄存器,移位寄存器是什么意思移位寄存器,移位寄存器是什么意思移位寄存器_2010-03-08 14:50:3116081线性移位寄存器线性移位寄存器用移位寄存器可以构成序列信号发生器,其电路结构如下图所示。组合电路从移位寄存器取得信息,产生反馈信号加2010-01-12 14:14:111321用静态移位寄存器组成的串行存储器用静态移位寄存器组成的串行存储器2009-12-04 17:23:14721线性反馈移位寄存器的差分能量攻击能否有效去除算法噪声的影响,直接关系到能量攻击成败。该文以线性反馈移位寄存器(LFSR)相邻两个时钟周期的能量消耗差异为出发点,提出了一种新的差分能量攻击算法。它从根2009-10-29 12:56:1030移位寄存器及其应用一、实训目的1.掌握移位寄存器74LS194的逻辑功能及其测试方法;2.熟悉移位寄存型的典型应用电路。二、实训内容1.移位寄存器74LS194的功能测试;2.74LS194构2009-06-27 09:47:2170给AVR 单片机构造移位寄存器方式的输出函数给AVR 单片机构造移位寄存器方式的输出函数2009-05-14 15:07:4137增强型并行端口EPP扩展移位寄存器输出接口的方法【摘 要】 基于EPP协议的特点,应用复杂可编程逻辑器件(CPLD)开发了移位寄存器输出接口。介绍了EPP协议和接口的Verilog HDL描述。2009-05-11 19:34:311013可越位的移位寄存器可越位的移位寄存器2009-04-10 10:24:34290移位寄存器驱动器电路图移位寄存器驱动器电路图2009-04-03 08:42:09959移位寄存器电路图移位寄存器电路图2009-04-02 08:56:461105第二十六讲 寄存器和移位寄存器第二十六讲 寄存器和移位寄存器7.4.1 寄存器1.定义2.电路举例 3.逻辑功能分析7.4.2 移位寄存器一、单向移位寄存器㈠ 由4个维持阻塞D触发器组成4位右移2009-03-30 16:30:097063基于流密码的可适配反馈移位寄存器指令在对A5, Grain, Trivium 等34 种流密码算法结构进行分析的基础上,研究算法中线性和非线性反馈移位寄存器的结构特征,总结其相应操作。构造专用的反馈移位寄存器配置指令和操作指2009-03-24 10:11:4317集成移位寄存器实验七 集成移位寄存器一、实验目的1、掌握集成双向移位寄存器74LS95的逻辑功能2、熟悉集成双向移位寄存器74LS95的管脚排列二、实验器材实验箱、2009-03-20 17:54:0517四位双向移位寄存器实验实验七四位双向移位寄存器一、实验目的1. 移位寄存器74LS194 的逻辑功能及使用方法。2. 熟悉4 位移位寄存器的应用。二、实验预习要求1. 了解74LS194 的逻辑功能。2.2009-03-16 19:19:1272时序电路设计串入/并出移位寄存器时序电路设计串入/并出移位寄存器一 实验目的1掌握VHDL语言的基本描述语句的使用方法。2掌握使用VHDL语言进行时序电路设计的方法。2009-03-13 19:29:521321时序电路设计串入/并出移位寄存器时序电路设计串入/并出移位寄存器一 实验目的1掌握VHDL语言的基本描述语句的使用方法。2掌握使用VHDL语言进行时序电路设计的方法。2009-03-13 19:29:514361HEF4094 移位存储总线寄存器(8级)HEF4094 移位存储总线寄存器(8级)概述:4094 是具有锁存功能和3 状态输出的8 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