หน่วยความจำเชื่อมโยงคืออะไร?

หน่วยความจำส่วนใหญ่ถูกจัดเก็บและเข้าถึงด้วยวิธีเดียวกัน เนื้อหาจะถูกบันทึกและเรียกค้นโดยใช้ที่อยู่หน่วยความจำ สิ่งนี้มีประโยชน์โดยทั่วไปและเกือบจะถูกนำไปใช้ในระดับสากล ขออภัย มีปัญหาเล็กน้อยกับการจัดเก็บรูปแบบนี้ จะดีมากถ้าคุณรู้ว่าข้อมูลที่คุณต้องการเก็บไว้ที่ไหน ทำงานได้ไม่ดีนักหากคุณต้องการค้นหารายการใดรายการหนึ่ง

สมมติว่าคุณต้องการค้นหาไฟล์ คุณจำชื่อได้ แต่จำโฟลเดอร์ที่คุณบันทึกไว้ไม่ได้ คอมพิวเตอร์ของคุณสามารถค้นหาชื่อไฟล์ได้ แต่ถ้าคุณไม่ได้ใช้งานเมื่อเร็วๆ นี้ การค้นหามักจะค่อนข้างช้า และนั่นคำนึงถึงระบบไฟล์ที่จัดเก็บเป็นชื่อไฟล์และที่อยู่

หน่วยความจำแบบเชื่อมโยงหรือที่เรียกว่า Content Addressable Memory หรือ CAM ได้รับการออกแบบมาให้ค้นหาโดยเนื้อหา น่าเสียดายที่การใช้หน่วยความจำที่เชื่อมโยงนั้นมีราคาแพงมาก ซึ่งหมายความว่าจะใช้ในบางกรณีเท่านั้น โดยทั่วไปในฮาร์ดแวร์เครือข่ายระดับไฮเอนด์ หน่วยความจำชื่อที่เชื่อมโยงมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าเป็นการใช้งานฮาร์ดแวร์ของอาร์เรย์ซอฟต์แวร์ที่เชื่อมโยง

โครงสร้างเซลล์

หน่วยความจำแบบเชื่อมโยงจะใช้เมื่อต้องการประสิทธิภาพสูงมากเท่านั้น ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับ SRAM มากกว่า DRAM เป็นจุดเริ่มต้นเพียงอย่างเดียวทำให้มีราคาแพง DRAM ใช้ทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวและตัวเก็บประจุหนึ่งตัวต่อบิต และ SRAM ใช้ทรานซิสเตอร์ทั้งหมด 6 ตัว เพื่อค้นหาเนื้อหาของเซลล์หน่วยความจำอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ละเซลล์ได้รับการแก้ไขให้มีวงจรเปรียบเทียบ เพิ่มทรานซิสเตอร์อีก 4 ตัวในแต่ละเซลล์ ซึ่งหมายความว่าหน่วยความจำที่เชื่อมโยงมีความหนาแน่นน้อยกว่า SRAM ซึ่งเป็นรูปแบบการจัดเก็บที่มีราคาแพงอยู่แล้ว

การใช้งาน

หน่วยความจำเชื่อมโยงมีราคาแพงและปรับให้เหมาะสมเฉพาะสำหรับการค้นหาตามเนื้อหาที่ตรงกัน ดังนั้นจึงใช้เฉพาะในอุปกรณ์ที่ต้องทำการค้นหาประเภทนี้อย่างต่อเนื่องเท่านั้น ถึงอย่างนั้น ก็มักจะจำกัดเฉพาะรุ่นระดับไฮเอนด์เท่านั้น โดยทั่วไปมีเพียงสองตำแหน่งหลักที่ใช้หน่วยความจำเชื่อมโยง สวิตช์เครือข่ายและเราเตอร์

ฮาร์ดแวร์เครือข่าย เช่น สวิตช์และเราเตอร์ต้องนำเสนอระดับประสิทธิภาพสูงเพื่อให้การรับส่งข้อมูลเครือข่ายหลายกิกะบิตไหลอย่างต่อเนื่อง ภายในเครือข่าย ที่อยู่ MAC ใช้เพื่อกำหนดเส้นทางการรับส่งข้อมูล สวิตช์จะรู้ว่าต้องส่งข้อมูลพอร์ตเครือข่ายใดไปยังอุปกรณ์ใดจึงจะไปยังอุปกรณ์ที่มีที่อยู่ MAC ที่ถูกต้อง เพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละแพ็กเก็ตถูกส่งไปยังสถานที่ที่ถูกต้อง จะมีการค้นหาที่อยู่ MAC ปลายทาง ในรูปแบบหน่วยความจำแบบดั้งเดิม อาจใช้เวลาสักครู่ เพิ่มเวลาแฝงของการสื่อสารทุกเครือข่าย ด้วยหน่วยความจำที่เชื่อมโยง การค้นหานั้นสามารถทำได้เร็วขึ้นมาก

ไบนารีและไตรภาค

หน่วยความจำที่เชื่อมโยงส่วนใหญ่ใช้ไบนารี แต่บางส่วนใช้หน่วยความจำที่ประกอบไปด้วย เซลล์หน่วยความจำที่เชื่อมโยงแบบไตรภาคนั้นคล้ายกับเซลล์ไบนารีที่อธิบายไว้ข้างต้น แทนที่จะมีเซลล์ SRAM หนึ่งเซลล์ แต่มีสองเซลล์ ทั้งสองมีทรานซิสเตอร์พิเศษสี่ตัวที่จำเป็นในการเปรียบเทียบ แน่นอนว่าสิ่งนี้ทำให้หน่วยความจำเชื่อมโยงแบบไตรภาคมีราคาแพงกว่าลูกพี่ลูกน้องแบบไบนารี ดังนั้นมันใช้สำหรับอะไร

บิตที่สองของเซลล์ที่ประกอบไปด้วย ternary หมายถึง “care” หรือ “dont care” สิ่งนี้จะเพิ่มสถานะที่สามให้กับเซลล์และฟังก์ชันการค้นหาโดยรวม ตอนนี้สามารถจัดเก็บ 1, 0 หรือ X สำหรับ don't care สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อต้องจัดการกับตารางเส้นทางเครือข่ายตามซับเน็ตมาสก์ที่มีความยาวผันแปรได้และรายการควบคุมการเข้าถึง คุณอาจได้รับการตอบกลับในเชิงบวกหลายรายการต่อที่อยู่การค้นหาเดียวในทั้งสองสิ่งนี้ ภายในทั้งสองอย่าง คุณเพียงต้องการจดบันทึกคำสั่งสอนที่แม่นยำที่สุดเท่านั้น

ด้วยเหตุนี้ การค้นหา 192.168.20.19 จึงอาจตรงกับกฎต่อไปนี้ 192.168.20.16/28 และ 192.168.0.0/16 หากคุณทำการค้นหาแบบไบนารีมาตรฐาน คุณจะต้องทำการคำนวณเพื่อตรวจสอบว่าที่อยู่นั้นอยู่ในช่วงที่อยู่ที่ระบุ อย่างไรก็ตาม ด้วยลอจิกไตรภาค คุณสามารถระบุได้ว่าที่อยู่การค้นหาของคุณตรงกับ 192.168.xx ในการดำเนินการครั้งเดียวหรือไม่ คุณยังสามารถระบุได้ว่าการจับคู่ /28 นั้นแม่นยำกว่าการจับคู่ /16 มาก เพราะมีบิต "don't care" น้อยกว่า สิ่งนี้ทำให้คุณสามารถใช้กฎการควบคุมการเข้าถึงที่เกี่ยวข้องได้ตามต้องการ

เนื่องจากหน่วยความจำเชื่อมโยงแบบสามส่วนมีราคาแพงกว่ารูปแบบไบนารีด้วยซ้ำ จึงเป็นเรื่องธรรมดาน้อยกว่าด้วยซ้ำ โดยทั่วไปสามารถพบได้ในเราเตอร์ระดับบนสุดและสวิตช์หลายชั้นเท่านั้น

บทสรุป

หน่วยความจำเชื่อมโยงเป็นรูปแบบหนึ่งของหน่วยความจำที่ทำงานแตกต่างจากหน่วยความจำมาตรฐาน แทนที่จะขอข้อมูลที่จัดเก็บไว้ในที่อยู่เฉพาะ จะค้นหาหน่วยความจำทั้งหมดในครั้งเดียวเพื่อหารายการที่ตรงกับข้อความค้นหา เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ด้วยระดับประสิทธิภาพสูง เซลล์หน่วยความจำจะขึ้นอยู่กับรูปแบบ SRAM ที่ได้รับการดัดแปลงซึ่งมีเซลล์ SRAM หนึ่งหรือสองเซลล์รวมกับทรานซิสเตอร์พิเศษสี่ตัวที่ใช้ในการดำเนินการตรรกะการเปรียบเทียบบิต

เซลล์ SRAM เดี่ยวใช้ในหน่วยความจำที่เชื่อมโยงแบบไบนารี ในขณะที่เซลล์ SRAM สองเซลล์ถูกใช้ในหน่วยความจำที่เชื่อมโยงแบบไตรภาค ตัวแปร ternary อนุญาตให้เก็บค่าที่สาม โดยทั่วไปคือ 1, 0 หรือ "ไม่สนใจ" ซึ่งช่วยให้เนื้อหาระบุว่าควรตรงกันแม้ว่าข้อความค้นหาจะไม่แม่นยำก็ตาม

เนื่องจากเซลล์หน่วยความจำที่เชื่อมโยงนั้นใช้ SRAM ที่มีราคาแพง เซลล์เหล่านี้จึงมีราคาสูง โดยที่ ternary จะมีราคาแพงที่สุด เนื่องจากสิ่งนี้และโครงสร้างของมันถูกปรับให้เหมาะสมอย่างชัดเจนสำหรับการค้นหาตามเนื้อหา หน่วยความจำที่เชื่อมโยงจึงไม่ถูกใช้ในอุปกรณ์ส่วนใหญ่

เฉพาะอุปกรณ์ที่ได้รับประโยชน์เป็นพิเศษจากคุณลักษณะนี้และเมื่อประสิทธิภาพมีค่ามากกว่าค่าใช้จ่ายล่วงหน้าเท่านั้น ด้วยเหตุนี้จึงพบได้เฉพาะในฮาร์ดแวร์ระบบเครือข่ายระดับองค์กรเท่านั้น ภายในการตั้งค่านั้น มักเรียกว่า CAM และ TCAM สำหรับ Content Addressable Memory และ Trinary Content Addressable Memory ตามลำดับ