Mi az asszociatív memória?

A legtöbb memória tárolása és elérése azonos módon történik. A tartalom mentésre kerül, majd memóriacím használatával visszakereshető. Ez általában hasznos és szinte általánosan használt. Sajnos van egy kis probléma ezzel a tárolási stílussal. Kiváló, ha tudja, hol tárolják a szükséges adatokat. Nem teljesít jól, ha egy adott bejegyzést szeretne keresni.

Tegyük fel, hogy meg akar találni egy fájlt; emlékszel a nevére, de arra nem, hogy melyik mappát mentetted. A számítógép képes rákeresni a fájlnévre, de hacsak nem használta a közelmúltban, gyakran elég lassan hajtja végre a keresést. És ez figyelembe veszi, hogy a fájlrendszerek fájlnévként és címként vannak tárolva.

Az asszociatív memória, más néven Content Addressable Memory vagy CAM, úgy van kialakítva, hogy a tartalma alapján keressen. Sajnos az asszociatív memória megvalósítása nagyon drága. Ez azt jelenti, hogy csak néhány esetben használják, jellemzően csúcskategóriás hálózati hardverekben. Az asszociatív névmemória onnan ered, hogy ez egy asszociatív szoftvertömb hardveres megvalósítása.

Sejtszerkezet

Az asszociatív memóriát csak akkor használják, ha rendkívül nagy teljesítményre van szükség. Mint ilyen, inkább SRAM-on alapul, mint DRAM-on. Kiindulópontként ez önmagában megdrágítja. A DRAM bitenként egy tranzisztort és egy kondenzátort, az SRAM pedig összesen 6 tranzisztort használ. A memóriacella tartalmának hatékony keresése érdekében minden cellát úgy módosítanak, hogy összehasonlító áramkörrel rendelkezzenek. Ez összesen 4 további tranzisztort ad minden cellához. Ez azt jelenti, hogy az asszociatív memória lényegesen kevésbé sűrű, mint az SRAM, amely egyébként is drága tárolási forma.

Használat

Az asszociatív memória drága, és kizárólag tartalomalapú keresésekre van optimalizálva. Mint ilyen, valóban csak olyan eszközökön használják, amelyeknek folyamatosan ilyen típusú keresést kell végrehajtaniuk; akkor is jellemzően csúcsmodellekre korlátozódik. Az asszociatív memóriát általában csak két fő helyen használják, a hálózati switcheket és az útválasztókat.

A hálózati hardvereknek, például a kapcsolóknak és az útválasztóknak nagy teljesítményszintet kell kínálniuk ahhoz, hogy több gigabites hálózati forgalom folyamatosan áramoljon. A hálózaton belül a MAC-címek a forgalom irányítására szolgálnak. A switch tudni fogja, hogy a sok hálózati port közül melyikre kell adatokat küldeni, így a megfelelő MAC-címmel jut el az eszközhöz. Annak érdekében, hogy minden csomag a megfelelő helyre kerüljön, a rendszer megkeresi a cél MAC-címét. Hagyományos memóriaformátum esetén ez némi időt vesz igénybe, és minden hálózati kommunikáció késleltetését növeli. Az asszociatív memóriával ez a keresés sokkal gyorsabb lehet.

Bináris és hármas

A legtöbb asszociatív memória bináris alapú, de vannak olyanok is, amelyek hármas alapúak. A hármas asszociatív memóriacella hasonló a fent leírt binárishoz. Egy SRAM cella helyett azonban kettő van. Mindkettő rendelkezik az összehasonlításhoz szükséges négy extra tranzisztorral. Ez persze még drágábbá teszi a hármas asszociatív memóriát, mint bináris rokonát, akkor mire használják?

A hármas cella második bitje a „gondoskodás” vagy a „nem érdekel” kifejezést jelzi. Ez egy harmadik állapotot ad a cellához és az általános keresési funkcióhoz. Mostantól 1-et, 0-t vagy X-et tárolhat, hogy ne törődjön vele. Ez különösen akkor hasznos, ha változó hosszúságú alhálózati maszkokon alapuló hálózati útválasztási táblákkal és hozzáférés-vezérlési listákkal foglalkozik. Mindkét esetben több pozitív válasz is érkezhet egyetlen keresési címre. Mindkettőn belül csak a legpontosabb utasítást szeretné figyelembe venni.

A 192.168.20.19 keresése megfelelhet a következő szabályoknak: 192.168.20.16/28 és 192.168.0.0/16. Ha szabványos bináris keresést végez, számításokat kell végrehajtania annak ellenőrzésére, hogy a cím a megadott címtartományokba esik-e. A hármas logikával azonban egyetlen műveletben meghatározhatja, hogy a keresési cím megegyezik-e a 192.168.xx címmel. Azt is meghatározhatja, hogy a /28 egyezés sokkal pontosabb, mint a /16 egyezés, mivel kevesebb a „nem érdekel” bit. Ez lehetővé teszi a kapcsolódó hozzáférés-szabályozási szabályok preferált alkalmazását.

Mivel a hármas asszociatív memória még drágább, mint a bináris forma, még kevésbé gyakori. Általában csak csúcskategóriás útválasztókban és többrétegű kapcsolókban található meg.

Következtetés

Az asszociatív memória a memória olyan formája, amely nagyon eltér a szabványos memóriától. Ahelyett, hogy egy adott címen tárolt adatokat kérne le, egy lépésben a teljes memóriában keres egy keresési kifejezésre. A nagy teljesítményű szint eléréséhez a memóriacellák az SRAM módosított formáján alapulnak, amely egy vagy két SRAM cellát tartalmaz négy extra tranzisztorral kombinálva, amelyek a bitösszehasonlítási logikát hajtják végre.

A bináris asszociatív memóriában egyetlen SRAM cellát, míg a hármas asszociatív memóriában két SRAM cellát használnak. A hármas változat lehetővé teszi egy harmadik érték tárolását, jellemzően 1-et, 0-t vagy „nem érdekel”. Ez lehetővé teszi, hogy a tartalom jelezze, hogy egyeznie kell, még akkor is, ha a keresési kifejezés nem pontos.

Mivel az asszociatív memóriacellák a drága SRAM-on alapulnak, költségesek, és a háromkomponensű a legköltségesebb. Emiatt, és a szerkezete kifejezetten a tartalom szerinti keresésre optimalizált, az asszociatív memóriát a legtöbb eszköz nem használja.

Csak azok a készülékek tartalmazzák, amelyeknek ez különösen előnyös, és ahol a teljesítmény meghaladja az előzetes költségeket. Mint ilyen, jellemzően kizárólag a vállalati szintű hálózati hardverekben található meg. Ezen a beállításon belül gyakran nevezik CAM-nek és TCAM-nek, a tartalomcímezhető memória és a hármas tartalomcímezhető memória esetében.