基于FPGA的TCAM开发板设计与实现

摘要

三态内容可寻址存储器(TCAM)是一种由硬件来实现快速搜索的引擎。它具有快速搜索的优点，引起市场上越来越多的关注，并且已经成为当前路由器路由节点的关键技术。然而TCAM仍然存在着缺点，需要不断的加以研究创新改进，制造商们争分夺秒推出新的产品，因此如何加快新型TCAM的推出已成为TCAM领域的一个重点研究方向。设计一种实用性较高的TCAM开发板系统对缩短其研究开发周期，并加快TCAM产业发展具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文根据对前人成果的分析研究，提出了基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的TCAM开发板架构并将其模块化，它是由电源模块、TCAM模块、FPGA控制模块、有源晶振模块以及FLASH电路模块五大部分组成的。并且TCAM模块使用的是标准化接口，可以根据需求来更换不同类型的TCAM芯片，从而实现对不同的TCAM芯片进行调试验证工作，这种设计，最大限度地降低了开发板研制过程中的重复性的工作。
　　本文在上述整体系统框图的基础上研究分析了FPGA结构以及TCAM的指令控制集，设计出电源模块等外围电路，实现了对TCAM模块和FPGA模块进行供能的功能。同时设计出了TCAM在FPGA上的功能实现流程以及验证测试方式，进而完成原理图设计，同时进行了PCB板图设计制作出开发板实物。编写verilog代码来帮助完成基于硬件FPGA的TCAM开发板的验证测试，最后研究了并引入了LED测试灯和ISE开发工具在线逻辑分析仪ChipScope等两种查看验证结果的方式。综合验证结果表明本文设计的开发板可正常工作，实现了对TCAM功能的测试验证，达到了设计要求。
　　本文设计的基于FPGA的TCAM开发板系统，实用价值高，且易于升级和扩展，完全可以帮助制造商们加快研究创新的步伐，加快TCAM产业发展的进程。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构安排

2 系统概述

2．1 TCAM简介

2．1．1 TCAM概述

2．1．2 TCAM管理规则

2．1．3 TCAM功能分析

2．1．4 TCAM的应用发展

2．2 系统功能概述

2．3 应用前景

2．4 面临的挑战

2．5 本章小结

3 系统架构设计及原理分析

3．1 系统架构框图

3．2 基于FPGA的设计原理分析

3．2．1 FPGA概述

3．2．2 FPGA设计流程

3．3 JTAG接口

3．4 ISE在线逻辑分析仪

3．5 本章小结

4 系统硬件设计与制作

4．1 系统设计

4．2 开发板各模块参数及硬件电路设计

4．2．1 电源模块

4．2．2 FPGA控制模块

4．2．3 TCAM模块

4．2．4 有源晶振模块

4．2．5 FLASH电路模块

4．3 PCB版图的设计

4．4 BOM清单

4．5 PCB板实物

4．6 本章小结

5 测试方法与结果分析

5．1 PCB板基本性能测试

5．1．1 静电测试

5．1．2 电源电压测试

5．1．3 晶振波形测试

5．2 测试代码编写

5．2．1 初始化

5．2．2 读写操作

5．2．3 搜索操作

5．2．4 Device ID功能测试

5．2．5 顶层文件

5．3 测试结果

5．3．1 读写搜索结果验证

5．3．2 Device ID验证结果

5．4 本章小结

结论

参考文献

致谢