專利名稱：減少內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器中的能量使用的電路和存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種減小在CAM的搜索操作期間減少能量使用的電路和方法。
背景技術(shù)：
CAM是根據(jù)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的內(nèi)容而不是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的位置來(lái)訪問(wèn)和修改數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。通常，典型的CAM搜索操作涉及到接收搜索數(shù)據(jù)字，并且將搜索數(shù)據(jù)字與CAM中的所有實(shí)體進(jìn)行比較，以確定在搜索數(shù)據(jù)字和CAM中的實(shí)體之間存在單個(gè)匹配、多個(gè)匹配還是不匹配。在CAM的行中的每一個(gè)存儲(chǔ)位置與匹配線相連，所述匹配線指示在所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)字和搜索字之間比較的的匹配或不匹配結(jié)果。典型地，由優(yōu)先編碼器(PE)來(lái)處理指示匹配狀態(tài)的所有匹配線，以確定作為CAM的輸出而提供的最高優(yōu)先級(jí)的匹配地址。
每一個(gè)數(shù)據(jù)字和匹配線組合在CAM內(nèi)具有唯一的N比特的地址。因此，對(duì)于任意搜索周期，可能存在多達(dá)2N條激活的匹配線。優(yōu)先編碼器與匹配線相連，并且產(chǎn)生與最高優(yōu)先級(jí)的激活匹配線相對(duì)應(yīng)的N比特地址。然后，可以將該N比特的地址諸如用作在微處理器系統(tǒng)中的因特網(wǎng)協(xié)議(IP)路由表查詢、壓縮和解壓或完全關(guān)聯(lián)高速緩沖存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)中的指針。由于其能夠存儲(chǔ)邏輯“1”、邏輯“0”、以及“隨意”狀態(tài)，三態(tài)CAM廣泛地用于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。對(duì)更寬數(shù)據(jù)寬度的CAM存在日益增加的需要。CAM通?？捎糜诘扔?2比特和144比特、以及在最近等于288比特寬度的數(shù)據(jù)寬度(由M表示)的情況下。
隨著數(shù)據(jù)寬度的增加，在搜索操作期間CAM中的能量或電流消耗變得日益重要。對(duì)此原因的解釋如下。
在搜索操作中，將數(shù)據(jù)提供給CAM，以便與所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。通常對(duì)CAM單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而在搜索數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之間的匹配提供了非導(dǎo)電的路徑，而不匹配提供了導(dǎo)電路徑。CAM的行由在被稱為匹配線(ML)的通用節(jié)點(diǎn)和尾線(TL)之間并聯(lián)的單元構(gòu)成。每一個(gè)單個(gè)的ML與M單元相連(其中，M是比特?cái)?shù)量，或者通常為數(shù)據(jù)寬度)。典型地，在搜索操作中，將M比特的搜索數(shù)據(jù)提供給搜索數(shù)據(jù)路徑，所述搜索數(shù)據(jù)路徑由與CAM單元的相應(yīng)列相連的M條搜索線組成。然后，CAM的所有N行同時(shí)將搜索數(shù)據(jù)與每一個(gè)單元中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較-典型地實(shí)現(xiàn)為“異或”比較塊-并且將該比較的結(jié)果提供給與CAM的每一個(gè)行相關(guān)的每一條匹配線。然后，讀出、放大并典型地鎖存在匹配線上的結(jié)果，以便提供搜索操作的邏輯電平結(jié)果。
在CAM的搜索操作期間，存在兩種主要的實(shí)質(zhì)能量消耗的源匹配線的能量消耗和搜索線的電能消耗。傳統(tǒng)上，將所有匹配線預(yù)充電為邏輯“H”狀態(tài)(匹配狀況)，然后，允許與搜索數(shù)據(jù)的比較以便將匹配線變?yōu)榈竭壿嫛癓”狀態(tài)(未命中狀況)。
在大多數(shù)CAM應(yīng)用中，“未命中”比“命中”發(fā)生得更為頻繁。針對(duì)未命中而將匹配線預(yù)充電到邏輯“H”并將匹配線放電到邏輯“L”趨向于產(chǎn)生了較高的能量消耗，這是由于與針對(duì)每一個(gè)搜索操作的對(duì)所有匹配線充電和放電相關(guān)的高電流所造成的。此外，隨著針對(duì)更寬字的CAM應(yīng)用，與每一個(gè)匹配線相連的單元數(shù)量的增加，匹配線的電容相應(yīng)地增加，結(jié)果，增加了對(duì)匹配線進(jìn)行充電和放電所需的電流。
已經(jīng)提出了多種解決方案來(lái)減少在搜索操作期間所消耗的能量，例如，將匹配線分割為多個(gè)分段，并且根據(jù)先前分段的匹配或未命中結(jié)果來(lái)順序地激活分段。
例如，在美國(guó)專利No.6,243,280(授予Wong等人)中描述了分段匹配線結(jié)構(gòu)，其中，將CAM的行分割為多個(gè)分段。對(duì)于每一條匹配線，對(duì)多個(gè)匹配線分段的第一分段進(jìn)行預(yù)充電，并且對(duì)第一分段執(zhí)行搜索操作。在第一分段中匹配的情況下，有選擇地對(duì)第二匹配線分段進(jìn)行預(yù)充電，并且對(duì)第二分段進(jìn)行搜索。如果在第二分段中存在匹配，則對(duì)第三分段進(jìn)行預(yù)充電并按照類似的方式來(lái)進(jìn)行搜索，直到已經(jīng)搜索了匹配線的所有分段。因此，后續(xù)分段的預(yù)充電僅發(fā)生在前面分段中的匹配結(jié)果的情況下。然而，在所有分段中均匹配的情況下，有選擇地將每一個(gè)分段預(yù)充電為邏輯“H”仍然需要較大電流。此外，通過(guò)在進(jìn)行該分段中的實(shí)際比較之前必須等待在分段中的有選擇的預(yù)充電的發(fā)生，在搜索時(shí)間中引入了顯著的延遲。
在美國(guó)專利No.6,191,970(授予Pereira)中，將匹配線分為多個(gè)分段，在開(kāi)始搜索操作之前將所有這些分段預(yù)充電到邏輯“H”狀態(tài)。此外，每一個(gè)CAM單元具有關(guān)聯(lián)放電電路，用于響應(yīng)來(lái)自前面的匹配線分段的禁止信號(hào)，有選擇地對(duì)其相應(yīng)的匹配線分段進(jìn)行預(yù)充電。因此，僅當(dāng)緊挨在前面的分段結(jié)果為未命中，同時(shí)所有后續(xù)分段保持預(yù)充電為邏輯“H”時(shí)，對(duì)分段進(jìn)行放電。結(jié)果，一個(gè)分段的未命中狀況沿該行的剩余部分傳播，而不沿著該行對(duì)所有其他分段進(jìn)行放電。在該方法緩解了通過(guò)有選擇地預(yù)充電分段所引入的延遲問(wèn)題的同時(shí)，仍然保持了針對(duì)高電流消耗的電位，這是由于必須首先將所有匹配線預(yù)充電到邏輯“H”狀態(tài)。此外，每一個(gè)分段的匹配檢測(cè)必須與自從匹配線預(yù)充電為命中開(kāi)始而進(jìn)行時(shí)鐘控制的時(shí)鐘信號(hào)相匹配。結(jié)果，或者必須產(chǎn)生大量的內(nèi)部時(shí)鐘，或者必須使用增加了系統(tǒng)等待時(shí)間的系統(tǒng)時(shí)鐘。最后，為了防止在啟用分段之前的放電，將一串聯(lián)設(shè)備添加到每一個(gè)CAM單元上，從而增加芯片面積并減慢整個(gè)操作。
在由Zukowski等人在IEEE 1997中所寫的題為“Use of SelectivePrecharge for Low power on the Match Lines of Content AddressableMemories”的文章中，公開(kāi)了一種方法，其中，對(duì)整個(gè)匹配線中的較小分段進(jìn)行預(yù)充電，并且首先用來(lái)進(jìn)行局部比較，而且僅當(dāng)在該第一較小分段中發(fā)生了匹配時(shí)，對(duì)匹配線的剩余分段進(jìn)行預(yù)充電并最終進(jìn)行搜索。該文章還提出理論上，可以對(duì)選擇性的預(yù)充電技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，以覆蓋多于一個(gè)階段，而附加的開(kāi)銷、額外的時(shí)鐘相位和附加緩存不將在這里所提出的單一階段選擇性預(yù)充電上提供任何較大的附加增益。該方法未考慮假如足夠快的處理技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)所需電路，具有順序地而獨(dú)立于時(shí)鐘周期工作的多個(gè)匹配線分段的可能性。此外，由Zukowski等人所討論的方法仍然依賴于預(yù)充電到邏輯“H”狀態(tài)，如先前所解釋的，這可能會(huì)提取大量電流。
因此，仍然需要一種在搜索操作期間消耗的能量比傳統(tǒng)搜索技術(shù)消耗的更少的CAM。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種在搜索操作期間，有選擇地啟用在內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)陣列的行內(nèi)的多個(gè)匹配線分段中的至少一個(gè)的方法，每一個(gè)匹配線分段具有多個(gè)與其相連的CAM單元，所述方法包括步驟(a)將匹配線分段設(shè)置為第一搜索結(jié)果狀況；(b)針對(duì)第二搜索結(jié)果狀況，評(píng)估第一匹配線分段；以及(c)響應(yīng)第一匹配線分段中的第二搜索結(jié)果狀況，有選擇地啟用第二匹配線分段，從而可以在此檢測(cè)到所述第二搜索結(jié)果狀況。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了一種包括多個(gè)行的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)，每一個(gè)行包括(a)多個(gè)匹配線分段，具有多個(gè)與其相連的CAM單元；(b)用于將匹配線分段預(yù)充電為第一搜索結(jié)果狀況(未命中)的電路；每一個(gè)所述分段包括(1)讀出電路，用于檢測(cè)第二結(jié)果狀況(命中)；以及(ii)用于啟用后續(xù)分段中的放電路徑，以檢測(cè)其中的所述第二搜索結(jié)果狀況(匹配)的電路。


通過(guò)實(shí)例示出了本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，但是這決不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，在附圖中描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，具體如下圖1(a)是典型CAM的簡(jiǎn)化方框圖；圖1(b)是圖1(a)中的CAM陣列的一部分的示意圖；圖1(c)是三態(tài)單元的示意圖；圖2(a)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CAM陣列中的行的方框圖；圖2(b)是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的CAM陣列中的行的圖；圖3(a)是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的CAM中的行的圖。
圖3(b)是圖3(a)的CAM中的搜索操作的時(shí)序圖；
圖4是本發(fā)明的自定時(shí)實(shí)施例的圖；圖5(a)是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的管線CAM的圖；以及圖5(b)是示出了在圖5(a)的CAM中的搜索操作的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
在以下描述中，相同的參考數(shù)字涉及附圖中的相同結(jié)構(gòu)。
參考圖1a，其中示出了典型CAM 100的簡(jiǎn)化方框圖，僅顯示了將參考本發(fā)明進(jìn)行討論的主要元件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)理解CAM設(shè)備包括針對(duì)其他多種功能的許多其他的塊，但是這些塊并不直接與本發(fā)明相關(guān)，因此，為了簡(jiǎn)化而省略了這些塊。CAM 100包括按照行和列排列的CAM單元104的陣列102，其中，每一行的單元與通用匹配線(ML)相連。在三態(tài)CAM的情況下，每一個(gè)單元存儲(chǔ)了三種狀態(tài)之一還被稱為邏輯“H”的邏輯“一”、還被稱為邏輯“L”的邏輯“零”、以及還被稱為“X”的“隨意”狀態(tài)，以便實(shí)際存儲(chǔ)兩個(gè)比特的數(shù)據(jù)。通常，CAM的每一行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)字。地址解碼器106用來(lái)選擇CAM陣列102中的任意行，以便將數(shù)據(jù)寫入或讀出所選擇的行，盡管這是非常通用的，將數(shù)據(jù)寫入或加載到CAM。雙向數(shù)據(jù)訪問(wèn)電路114在CAM陣列102和CAM芯片數(shù)據(jù)引腳(未示出)之間傳送數(shù)據(jù)，以便于外部處理器(未示出)訪問(wèn)。與CAM陣列102相鄰的是匹配線讀出電路塊110，其包括N個(gè)匹配線讀出電路，并且在搜索和比較操作期間使用，用于輸出N比特結(jié)果112。優(yōu)先編碼器114處理針對(duì)所有行的匹配線讀出電路塊輸出，以便產(chǎn)生與匹配字的位置相對(duì)應(yīng)的最高優(yōu)先級(jí)的匹配地址(即，最低物理地址)。還對(duì)多匹配檢測(cè)電路116進(jìn)行連接，以使其接收來(lái)自匹配線讀出電路110的輸出，結(jié)果，產(chǎn)生了兩比特輸出Q0、Q1，表示沒(méi)有匹配、僅存在一個(gè)匹配、或多匹配的情況。
現(xiàn)在參考圖1b，圖1b示出了三態(tài)CAM的單元陣列的小子集(i和i+1)。如圖所示，在陣列中的(i，i+1)單元的每一行形成了與匹配線MLi相連的行i中的每一個(gè)單元104的數(shù)據(jù)字。每一個(gè)三態(tài)單元104(j，j+1……)包含兩個(gè)存儲(chǔ)元件單元A、用于存儲(chǔ)兩個(gè)比特的單元B、以及用于將所存儲(chǔ)的比特與搜索比特進(jìn)行比較的異或(XOR)比較晶體管120。存儲(chǔ)元件A、元件B可以具有以下任一類型靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)或動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)單元，這兩種類型均為本領(lǐng)域所公知的(對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)，6晶體管的SRAM單元實(shí)現(xiàn)將明顯需要額外的補(bǔ)充位線對(duì))。XOR晶體管120是n溝道器件，用于在未命中的情況下，將匹配線MLi拉向“地”。
到目前為止已經(jīng)提供了CAM陣列的一般結(jié)構(gòu)，作為構(gòu)成本發(fā)明所解決的特定問(wèn)題的背景。此外，在以下描述中，僅為了簡(jiǎn)化，在CAM結(jié)構(gòu)100的情況下來(lái)討論本發(fā)明的實(shí)施例。應(yīng)該理解，本發(fā)明的實(shí)施例同樣適用于具有其他結(jié)構(gòu)和/或采用了任何適當(dāng)CAM單元的其他內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器。此外，在以下描述中，賦予各種信號(hào)的邏輯電平是任意的，因此，可以通過(guò)根據(jù)需要來(lái)反轉(zhuǎn)相關(guān)設(shè)備的極性，對(duì)其進(jìn)行修改。例如，圖(c)示出了p型異或電路130的實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在參考圖2(a)，圖2(a)示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的CAM的所選行中的分段匹配線的示意圖。為了簡(jiǎn)明，未示出位線、字線、搜索線和相關(guān)電路。將n比特(例如，72比特)匹配線分為多個(gè)匹配線分段MLS0、MLS1、……、MLSn，例如，每一個(gè)均為18比特長(zhǎng)(因此，在第一實(shí)施例中，存在4個(gè)匹配線分段，每一個(gè)18比特長(zhǎng)，構(gòu)成了72比特寬度的字)。每一個(gè)分段MLS0-MLSn在一端處與相應(yīng)的讀出放大器210相連。在圖2(a)的實(shí)例中，讀出放大器210包括CMOS反相器讀出放大器。可以使用更高級(jí)的讀出放大器電路來(lái)提供更低閾值的讀出性能，并因而提供更高的速度操作。每一個(gè)CMOS反相器讀出放大器210輸出與相應(yīng)的匹配線搭接電路212相連，該電路由與電流源216串聯(lián)的受控反相器214構(gòu)成，匹配線搭接電路的受控反相器214由串聯(lián)的P和N溝道器件與附加匹配線搭接使能N溝道器件218構(gòu)成。每一個(gè)匹配線搭接使能N溝道期間218的柵極受相應(yīng)信號(hào)匹配線分段使能信號(hào)MATLO1、MATLOn控制，其中n是在行中的位線分段的號(hào)碼。如以下還將詳細(xì)描述的那樣，按照順序的方式激活和禁用匹配線分段使能信號(hào)MATLO。如圖2(a)所示，第一分段MLS0與匹配線頭電路220相連，該匹配線頭電路也由與電流源216串聯(lián)的受控反相器224構(gòu)成。該反相器224也由使能N溝道器件222控制，結(jié)果，由使能信號(hào)MATLO0控制。通用使能信號(hào)例如MLEN\可以用于與第一分段同時(shí)啟用所有分段，并且將所有分段保持激活，直到已經(jīng)搜索到整個(gè)字為止，但是這樣的方法與圖2所示的優(yōu)選實(shí)施例相比，將會(huì)消耗更多的能量。
每一個(gè)分段MLS0-MLSn可以具有相同數(shù)量的位單元104，然而，可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分布原則來(lái)選擇位單元的數(shù)量。在圖2所示的CAM中，這些單元是如圖1c所示的P溝道型的基于SRAM的CAM單元，其中，在未命中的情況下，將匹配線拉向VDD，即正電源。在第一分段MLS0中，匹配線頭電路220將第一分段預(yù)充電為未命中狀況。在匹配線頭電路220的情況下，受控反相器224的P溝道和N溝道晶體管由在搜索操作的開(kāi)始處所產(chǎn)生的匹配線使能信號(hào)MLEN\來(lái)控制。
對(duì)圖2(a)中的分段匹配線的操作的解釋如下。在開(kāi)始搜索操作之前，將匹配線中的所有匹配線分段MLS0、MLS1、……、MLSn預(yù)充電為未命中狀態(tài)，即，在該實(shí)施例中，通過(guò)每一個(gè)匹配線搭接電路212中的P溝道上拉晶體管將其預(yù)充電到邏輯“H”。匹配頭電路220將利用代表為邏輯“L”的MLEN\信號(hào)開(kāi)始預(yù)充電，從而導(dǎo)通匹配線頭電路220的反相器224中的P溝道器件。結(jié)果，將第一匹配線分段MLS0預(yù)充電為邏輯“H”，并且該第一分段向第一反相器210和必須充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器的第一匹配線搭接電路212提供邏輯“H”信號(hào)，并且向MLS1傳播邏輯“H”。第二分段MLS1的反相器和第二匹配線搭接電路執(zhí)行相同的功能，并依此類推，直到將整個(gè)匹配線預(yù)充電到邏輯“H”，即未命中狀況為止。
在搜索操作的開(kāi)始，將MATLO信號(hào)保持在邏輯“L”，并且將搜索數(shù)據(jù)施加到搜索線(未示出)上。由聲明為邏輯“H”的匹配線分段MLS0的MATLO0信號(hào)來(lái)發(fā)起搜索和存儲(chǔ)信號(hào)的比較，由此，啟用匹配頭電路220中的電流源。第一匹配線分段的搜索結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生為未命中或匹配。
在第一實(shí)例中，在第一分段中的未命中將導(dǎo)致MLS0分段保持在預(yù)充電為未命中狀態(tài)，即，將保持在邏輯“H”電平，這是由于將存在將提供匹配線分段和預(yù)充電電壓VDD之間的導(dǎo)電路徑的至少一個(gè)單元。該匹配線分段和VDD之間的單一導(dǎo)電路徑將產(chǎn)生比由匹配線頭電路220的電流源217所提供的電流更大的電流，因此，將超過(guò)電流源電流。結(jié)果，對(duì)第一匹配搭接電路的反相器210的輸入信號(hào)是邏輯“H”，將對(duì)后續(xù)分段的匹配搭接電路的輸出保持為邏輯“H”，從而禁用后續(xù)分段的搜索。
在第二實(shí)例中，如果在第一分段MLS0中檢測(cè)到匹配，則在該分段上的電平將開(kāi)始被匹配線頭電流源電流拉向邏輯“L”，創(chuàng)建對(duì)“地”的下拉路徑。當(dāng)該電平達(dá)到了第一分段的反相器讀出放大器210的切換閾值時(shí)，反相器讀出放大器將其輸出從邏輯“L”切換到邏輯“H”，結(jié)果，迫使第一匹配線搭接電路212的P溝道上拉晶體管截止，并且實(shí)現(xiàn)了針對(duì)隨后分段MLS1的下拉路徑，假定已經(jīng)啟用了下一個(gè)分段匹配線搭接使能信號(hào)MATLO1。如先前所提到的，可以將所有MATLO信號(hào)同時(shí)激活到邏輯“H”，或者如稍后還將描述的那樣，可以順序地對(duì)其進(jìn)行激活。結(jié)果，每一個(gè)匹配線分段使用前面分段的搜索結(jié)果來(lái)確定是否繼續(xù)沿匹配線搜索。沿從MLS0到MLSn的匹配線的整個(gè)長(zhǎng)度重復(fù)該處理，之后，將匹配線的最終匹配結(jié)果提供給優(yōu)先編碼器，以便進(jìn)行進(jìn)一步處理。
因此，通常，前面的匹配線分段的搜索結(jié)果用于啟用下一匹配線分段的搜索。如果在一個(gè)分段中不存在匹配，則下一個(gè)和所有剩余分段保持在預(yù)充電為未命中狀態(tài)。如果在分段中存在匹配，則將該匹配結(jié)果傳遞到下一分段，并且隨之進(jìn)行在后續(xù)分段中的匹配搜索，并且該搜索將繼續(xù)進(jìn)行到下一分段，直到搜索了最后的分段為止。
在上面的一般描述中，MATLO匹配線使能信號(hào)的激活和禁用均是指順序的?？梢约せ蠲恳粋€(gè)使能信號(hào)，以便基本上與來(lái)自前面的分段的搜索結(jié)果相一致，并且一旦獲得了搜索結(jié)果，則禁用該信號(hào)。可選地，可以同時(shí)激活所有的分段使能信號(hào)，并且一旦前面的分段已經(jīng)完成了搜索，則順序地禁用該信號(hào)。
參考圖2(b)，圖2(b)示出了用于根據(jù)上述方法來(lái)產(chǎn)生分段使能信號(hào)的電路。再次地，將典型匹配線MLi分割為如圖2(a)所示的n個(gè)分段，由其柵極與VDD相連的N溝道晶體管230來(lái)實(shí)現(xiàn)電流源216。每一個(gè)分段具有其相關(guān)的匹配線搭接電路212，如圖2(a)中所討論的那樣，以及“粘性”鎖存器，所述鎖存器包括反相器讀出放大器210和N溝道下拉晶體管232以保持匹配狀況，即當(dāng)匹配線分段對(duì)“地”放電時(shí)的狀況。即使在已經(jīng)禁用了針對(duì)相關(guān)分段的匹配線分段使能信號(hào)MATLO之后，通過(guò)反相器210和下拉晶體管232之間的反饋連接，該“粘性”鎖存器在其相關(guān)匹配線分段上保持邏輯“L”電平。
每一個(gè)分段從匹配線定時(shí)控制塊250中接收其相關(guān)的匹配線使能信號(hào)MLS0、……、MATLOn。對(duì)定時(shí)控制塊250進(jìn)行連接，以使其接收也分割為n個(gè)分段的針對(duì)參考或偽匹配線260的定時(shí)信號(hào)。偽匹配線分段DMLS0、……、DMLSN與一般匹配線分段相同，即，也具有相關(guān)偽匹配線搭接和匹配線頭電路，但除了偽匹配線頭和偽匹配線搭接電路均接收到在搜索操作開(kāi)始處由搜索控制電路(未示出)所產(chǎn)生的偽匹配線使能信號(hào)DMLEN\之外。與每一個(gè)偽匹配線分段相連的偽單元262均硬接線為匹配狀況，即，對(duì)于圖1(c)中所示的P溝道SRAM CAM單元實(shí)現(xiàn)，搜索和比較異或門的所有柵極與VDD進(jìn)行硬接線。
偽匹配線的功能是復(fù)制普通匹配線的操作，以便產(chǎn)生用于禁用相應(yīng)普通匹配線分段的適當(dāng)定時(shí)。通過(guò)檢測(cè)在偽匹配線上的匹配狀況，并且根據(jù)偽匹配線的讀出定時(shí)對(duì)相關(guān)普通匹配線的電流源的禁用進(jìn)行定時(shí)，將會(huì)把適當(dāng)?shù)臅r(shí)間量分配用于讀出普通匹配線分段，并且還將在完成的分段中禁用匹配線讀出，以減少能量消耗。此外，使用針對(duì)該普通匹配線的自定時(shí)的偽匹配線確保了針對(duì)所有相關(guān)的匹配線分段的均勻定時(shí)，而與處理或溫度變化無(wú)關(guān)。
下面將描述在圖2(b)中所討論的自定時(shí)匹配線分段的一般操作。前面參考圖2(a)描述了分段匹配線的操作。圖2(b)所示實(shí)施例的附加控制特征在于MATLO信號(hào)的激活定時(shí)。在預(yù)充電期間，如先前所描述的那樣，將一般匹配線分段以及所有偽匹配線分段均預(yù)充電到未命中狀況。當(dāng)CAM接收到搜索命令時(shí)，搜索控制電路(未示出)聲明了一般匹配線使能MLEN\信號(hào)和偽匹配線使能DMLEN\信號(hào)，用于啟用匹配線頭電路220、以及偽匹配線搭接電路212。在搜索數(shù)據(jù)路徑(未示出)上提供搜索數(shù)據(jù)，并且在第一匹配線分段中開(kāi)始搜索。匹配線定時(shí)控制電路產(chǎn)生匹配線頭使能信號(hào)MATLO0，以便啟用在第一匹配線分段中的讀出。同時(shí)，匹配線定時(shí)控制電路250還產(chǎn)生針對(duì)其他分段MATLO1-MATLOn的使能信號(hào)，以便提供從一個(gè)分段到另一分段的針對(duì)搜索結(jié)果的最快可能流通路徑。
同時(shí)激活所有分段的原因在于從統(tǒng)計(jì)上說(shuō)，如果在第一分段中存在未命中，則在沿該匹配線的后續(xù)分段中不可能找到匹配。一旦已經(jīng)檢測(cè)到硬接線匹配狀況，即，在第一偽匹配線分段DMLS0上的邏輯“L”，則由反相器讀出放大器的輸出產(chǎn)生信號(hào)Finish MATLO0。將該Finish MATLO0提供給匹配線定時(shí)控制電路，結(jié)果，該定時(shí)控制電路解除匹配線頭使能信號(hào)MATLO0的產(chǎn)生，從而禁用第一匹配線分段MLS0。一旦在第二偽匹配線分段中檢測(cè)到匹配結(jié)果，則將Finish MATLO1信號(hào)提供給匹配線定時(shí)控制電路250，結(jié)果，該定時(shí)控制電路禁用第二一般匹配線分段MLS1。偽匹配線分段繼續(xù)按照該方式讀出和提供Finish MATLO信號(hào)，直到已經(jīng)讀出了所有偽分段為止，從而提供相應(yīng)一般匹配線分段的順序禁用?？蛇x地，僅在已經(jīng)搜索并讀出了最后分段之后，可以禁用在第一分段之后的分段。
應(yīng)該注意，如以上所描述的，通過(guò)將匹配線分割為多個(gè)分段，并且還結(jié)合在每一個(gè)匹配線分段上預(yù)充電為未命中狀況，有選擇地控制每一個(gè)匹配線分段的激活和禁用，可以實(shí)現(xiàn)顯著的能量節(jié)省。此外，從一個(gè)分段向另一分段的搜索結(jié)果的流通實(shí)現(xiàn)了非?？斓乃阉鞑僮?。隨著字寬度的增加，可以通過(guò)在匹配線分段的組之間使用管線階段，可以擴(kuò)展該方法，如以下所詳細(xì)描述的那樣。
參考圖3(a)，圖3(a)示出了其中包括N溝道ML異或下拉器件的本發(fā)明的另一實(shí)施例。為了簡(jiǎn)化，所示出的典型三態(tài)CAM單元僅使用了異或下拉晶體管。每一個(gè)匹配線搭接電路212包括串聯(lián)的p溝道電流源晶體管和反相器(例如，分別為P3、P4、N2)。匹配線頭電路具有與“地”進(jìn)行硬接線的中間P溝道晶體管。每一個(gè)匹配線分段ML1、ML2等具有如圖2(a)所示的相關(guān)的反相器讀出放大器，并且每一個(gè)反相器讀出放大器的輸出表示為MLSO1、MLSO2等。同時(shí)將使能信號(hào)/EN提供給所有匹配線搭接電路。
現(xiàn)在將參考圖3(a)以及參考圖3(b)中的時(shí)序圖，來(lái)描述該實(shí)施例的一般操作。在預(yù)充電期間，使能信號(hào)處于邏輯“H”，因此，將所有匹配線分段預(yù)充電為未命中狀態(tài)。預(yù)充電脈動(dòng)地通過(guò)以達(dá)到所有匹配線分段，如參考圖2(a)所描述的那樣。在使能信號(hào)/EN為高電平的同時(shí)，可以將新搜索數(shù)據(jù)提供給搜索數(shù)據(jù)路徑(未示出)。當(dāng)/EN信號(hào)表示邏輯“L”時(shí)，啟用第一匹配線分段ML1。設(shè)置晶體管P2的尺寸，從而單比特的未命中將會(huì)使匹配線分段保持在邏輯“L”狀態(tài)，即，匹配線將保持在預(yù)充電為未命中狀態(tài)。因此，與CAM單元中的任意兩個(gè)串聯(lián)的下拉異或器件相比，P2必須具有明顯更差的電流驅(qū)動(dòng)能力。在匹配線分段上的所有單元匹配的情況下，則匹配線分段ML將緩慢地上升到邏輯“H”，即，達(dá)到匹配狀態(tài)。相對(duì)較慢的上升是由于相對(duì)較差的器件P2造成的。一旦ML1超過(guò)了靜態(tài)匹配線分段讀出放大器的切換閾值(示出了簡(jiǎn)單的反相器，盡管可以使用更為高級(jí)的電路來(lái)提供更低的閾值，并因而提供更高速的操作)，則將釋放第二匹配線分段。
參考圖3(b)，該定時(shí)圖示出了其中在第二分段中存在匹配，之后在第二分段中存在匹配的第一搜索?？梢岳脙H作為速度的限制來(lái)實(shí)現(xiàn)任意數(shù)量的分段(圖3(a)中示出了匹配線分段1和2)。只要匹配結(jié)果具有足夠的時(shí)間，在一個(gè)/EN低電平時(shí)間段(典型地為一個(gè)時(shí)鐘周期)期間通過(guò)所有匹配線分段傳播，則圖3(a)中所示的實(shí)施例將適當(dāng)?shù)靥峁┧阉鹘Y(jié)果通過(guò)匹配線分段的流通操作。圖3(b)還示出了其中在第一匹配線分段中存在未命中的第二搜索。結(jié)果，在隨后分段中未發(fā)生另外的信號(hào)轉(zhuǎn)換，結(jié)果節(jié)省了能量。
如先前所提到的，利用該方法來(lái)分段匹配線的好處包括在前面的分段中檢測(cè)到未命中之后，通過(guò)消除了不必要的信號(hào)轉(zhuǎn)換，節(jié)省了能量消耗；更高的操作速度，其中關(guān)注了匹配線的電阻性/電容性RC延遲，(該技術(shù)將延遲減少為RC/n，其中n是分段數(shù)，而RC是在分段之前的整個(gè)匹配線ML的時(shí)間常數(shù))。此外，對(duì)于深度亞微米工藝，處于“截止”的器件的泄漏可能會(huì)較顯著，特別是其中72比特或144比特的CAM單元可以與單個(gè)匹配線相連的情況。如果該總計(jì)泄漏電流接近于單個(gè)比特未命中的電流，則將不能夠在匹配和未命中之間進(jìn)行區(qū)分。通過(guò)將匹配線斷開(kāi)為多個(gè)分段，減少了并聯(lián)的電位泄漏路徑的數(shù)量，并且解決了問(wèn)題。
在匹配線分段中未命中的情況下，將存在在相關(guān)匹配線搭接電路中的使能p溝道上拉路徑和在CAM單元自身中的一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的下拉路徑之間流動(dòng)的靜態(tài)電流。可以通過(guò)記錄未命中的禁用分段和所有后續(xù)分段，消除所浪費(fèi)的電流。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，這樣的禁用信號(hào)由參考或偽匹配線直接地產(chǎn)生，如圖4所示。應(yīng)該注意，術(shù)語(yǔ)參考匹配線和偽匹配線可彼此交換地使用，并且表示相同的結(jié)構(gòu)。如參考圖3所解釋的，參考匹配線具有相同數(shù)量的單元和匹配線搭接電路，以便匹配一般匹配線的電容，而所有CAM單元與“0”數(shù)據(jù)內(nèi)部進(jìn)行硬接線，從而創(chuàng)建匹配狀況。當(dāng)在參考匹配線分段上檢測(cè)到該匹配時(shí)，通過(guò)相關(guān)的DISABLE信號(hào)來(lái)切斷在該分段中的所有相關(guān)的普通匹配線中的電流。該相關(guān)的DISABLE信號(hào)還用于通過(guò)圖4所示的反饋連接在禁用參考匹配線分段。
在匹配線超過(guò)可由其相關(guān)的反相器讀出放大器檢測(cè)的匹配閾值的時(shí)間和斷開(kāi)p溝道電流源的時(shí)間之間，應(yīng)該存在足夠的定時(shí)余量，以容許在啟用匹配線分段和相關(guān)參考匹配線分段之間的任何差異。這可以通過(guò)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)禁用信號(hào)的反相器鏈的時(shí)間延遲，或者通過(guò)在常規(guī)匹配線讀出放大器中設(shè)計(jì)較低的切換閾值，而在參考匹配線讀出放大器中設(shè)置較高的切換閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
切斷電流源的另一方法是僅使用參考匹配線的最后階段的輸出，以切斷分段匹配線陣列的所有階段，如參考圖2(b)所簡(jiǎn)要提到的那樣。將會(huì)浪費(fèi)稍微多一點(diǎn)的能量，因?yàn)樵诟L(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)啟用較早的階段，但是將會(huì)獲得更為簡(jiǎn)單的禁用方案。
參考圖5(a)，圖5(a)示出了用于實(shí)現(xiàn)更高速度的操作的本發(fā)明的另一實(shí)施例。在該實(shí)施例中，每一個(gè)匹配線分段具有整個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成每一個(gè)分段的搜索和比較操作。因此，對(duì)每一個(gè)匹配線分段進(jìn)行管線處理，從而使整個(gè)時(shí)鐘周期可用于產(chǎn)生未命中或匹配指示。在圖3和圖4的實(shí)施例中與先前實(shí)現(xiàn)為反相器的每一個(gè)匹配線分段相關(guān)的靜態(tài)匹配線讀出放大器由啟用信號(hào)/EN進(jìn)行時(shí)鐘控制的D型觸發(fā)器來(lái)替代，并且存儲(chǔ)了針對(duì)其相應(yīng)的匹配線分段的搜索結(jié)果。可選地，如前所述，可以使用更高級(jí)的讀出放大器，然后，將鎖存讀出放大器的輸出。
圖5(a)還示出了由多個(gè)D型觸發(fā)器(每一個(gè)CAM單元的列，一個(gè)D型觸發(fā)器)和用于將搜索數(shù)據(jù)路徑連接到每一個(gè)CAM單元上的相關(guān)邏輯門構(gòu)成的寄存器。通過(guò)在搜索數(shù)據(jù)路徑中引入寄存器，可以僅在前面的分段中已經(jīng)找到匹配結(jié)果的情況下，有選擇地將搜索結(jié)果提供給下一個(gè)分段?？蛇x地，在前面分段中未命中的情況下，不啟用搜索數(shù)據(jù)而將其傳遞到后續(xù)分段的CAM單元，導(dǎo)致了顯著的能量節(jié)省。將搜索數(shù)據(jù)和掩碼信息轉(zhuǎn)換為三態(tài)格式并由D型觸發(fā)器進(jìn)行鎖存，以便驅(qū)動(dòng)用于訪問(wèn)每一個(gè)陣列中的所有CAM單元的行的搜索線，即，由匹配線頭電路所驅(qū)動(dòng)的分段，由于不存在前面的分段搜索結(jié)果，因此，無(wú)條件地鎖存搜索數(shù)據(jù)信號(hào)。利用/EN的上升沿，在比較操作結(jié)束時(shí)，將匹配結(jié)果作為時(shí)鐘提供給D型觸發(fā)器。
按照與第一階段相同的方式，將針對(duì)第二管線階段的搜索數(shù)據(jù)，即第二匹配線分段無(wú)條件地鎖存在第一寄存器中。然而，為了使用前一個(gè)階段的搜索結(jié)果來(lái)確定是否繼續(xù)進(jìn)行搜索，需要附加寄存器來(lái)延遲搜索數(shù)據(jù)，直到第一階段匹配/未命中指示可用為止。該第二管線階段是由多個(gè)D型觸發(fā)器構(gòu)成的寄存器，多個(gè)D型觸發(fā)器中的每一個(gè)由表示所有第一分段匹配結(jié)果的結(jié)果來(lái)啟用，如以下將更為詳細(xì)描述的那樣，即，僅當(dāng)/EN輸入為低電平時(shí)，其輸出才發(fā)生改變。這防止了當(dāng)前一個(gè)階段的結(jié)果為未命中時(shí)搜索數(shù)據(jù)發(fā)生變化，從而節(jié)省了在搜索線上的不必要轉(zhuǎn)換中已經(jīng)另外耗散的相當(dāng)大的CV能量。對(duì)于每一個(gè)附加ML分段，必須將另外的管線階段添加到搜索數(shù)據(jù)路徑上。僅最后的階段需要由匹配線檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制。
搜索數(shù)據(jù)寄存器由受陣列的分段中的所有匹配線控制的線連或電路來(lái)啟用。在該陣列分段中的任意匹配線分段上的匹配將把\SLDEN信號(hào)拉向邏輯“L”，以允許要被時(shí)鐘控制的新搜索數(shù)據(jù)通過(guò)而達(dá)到搜索線。由/EN對(duì)線連或節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)充電，同時(shí)在匹配線分段上正在發(fā)生比較操作。
還可以將參考圖4所討論的對(duì)p溝道電流源的自定時(shí)斷開(kāi)添加到該實(shí)施例中，從而甚至節(jié)省更多的能量。
圖5b示出了針對(duì)圖5a的實(shí)施例的操作的一般定時(shí)。
盡管已經(jīng)結(jié)合其特定實(shí)施例及其特定使用而描述了本發(fā)明，但是在不脫離本發(fā)明精神的情況下，各種修改對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)的。
在說(shuō)明書(shū)中已經(jīng)采用的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)用作描述術(shù)語(yǔ)而非限制，在使用這樣的術(shù)語(yǔ)和表達(dá)時(shí)不存在排除所示出和描述的特征的任意等價(jià)物或其一部分的意圖，但是應(yīng)該意識(shí)到，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，能夠進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種在搜索操作期間有選擇地啟用內(nèi)容可訪問(wèn)存儲(chǔ)器(CAM)陣列內(nèi)的多個(gè)匹配線分段的至少一個(gè)的方法，每一個(gè)匹配線分段具有與其相連的多個(gè)CAM單元，所述方法包括步驟(a)將匹配線分段設(shè)置為第一搜索結(jié)果狀況；(b)針對(duì)第二搜索結(jié)果狀況，評(píng)估第一匹配線分段；以及(c)響應(yīng)在第一匹配線分段中的第二搜索結(jié)果狀況，有選擇地啟用第二匹配線分段，從而可以在其中檢測(cè)到所述第二搜索結(jié)果狀況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于包括沿行來(lái)傳播第一匹配線分段中的第二搜索結(jié)果狀況條件，以指示針對(duì)所述行的搜索結(jié)果狀況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一搜索結(jié)果狀況是未命中狀況，而所述第二搜索結(jié)果狀況是匹配狀況。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述設(shè)置步驟包括將所有所述匹配線分段預(yù)充電為未命中狀況。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于評(píng)估第一匹配線分段包括啟用匹配線分段和讀出第一匹配線分段的邏輯狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述啟用步驟包括使匹配線分段預(yù)充電為匹配狀況。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于僅當(dāng)在第一行分段中存在匹配狀況時(shí)，不阻止第二匹配線分段向地電位放電。
8.一種包括多個(gè)行的內(nèi)容可訪問(wèn)存儲(chǔ)器(CAM)，每一個(gè)行包括(a)具有與其相連的多個(gè)CAM單元的多個(gè)匹配線分段；(b)用于將匹配線分段預(yù)充電為第一搜索結(jié)果狀況的電路，每一個(gè)所述分段包括(i)讀出電路，用于檢測(cè)其中的第二結(jié)果狀況；以及(ii)用于啟用后續(xù)分段中的放電路徑的電路，以檢測(cè)其中的所述第二搜索結(jié)果狀況。
9.一種搜索具有多個(gè)CAM單元的行的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)的方法，每一個(gè)行均與相關(guān)匹配線相連，每一個(gè)匹配線具有多個(gè)匹配線分段，所述方法包括(a)將多個(gè)匹配線分段預(yù)充電為第一狀況；(b)搜索每一個(gè)匹配線中的第一分段；以及(c)僅當(dāng)?shù)谝环侄蔚乃阉鳟a(chǎn)生了除了第一狀況之外的其他狀況時(shí)，有選擇地搜索第二分段。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的搜索CAM的方法，其特征在于還包括附加步驟，用于進(jìn)當(dāng)前面分段的搜索產(chǎn)生了除了第一狀況之外的其他狀況時(shí)，有選擇地搜索接在第二分段之后的任意分段。
11.一種搜索具有多個(gè)CAM單元的行的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)的方法，每一個(gè)行均與相關(guān)匹配線相連，每一個(gè)匹配線具有多個(gè)匹配線分段，所述方法包括(a)將多個(gè)匹配線分段預(yù)充電為“未命中”狀況；(b)搜索第一匹配線分段；以及(c)僅當(dāng)在第一匹配線分段中檢測(cè)到“命中”狀況時(shí)，有選擇地搜索第二匹配線分段。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于將“命中”狀況通過(guò)表示“命中”狀況的所有匹配線分段來(lái)傳播，直到檢測(cè)到“未命中”狀況而使分段和任意后續(xù)的分段被禁用為止。
13.一種在具有分段匹配線的內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)中進(jìn)行管線搜索操作的方法，包括以下步驟(a)將所有匹配線分段預(yù)充電為“未命中”狀況；(b)在第一時(shí)鐘周期期間搜索匹配線分段；以及(c)僅在前面的匹配線分段中檢測(cè)到“命中”狀況的情況下，在后續(xù)的時(shí)鐘周期期間搜索后續(xù)的匹配線分段。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于還包括在前面的匹配線分段中檢測(cè)到“未命中”狀況的情況下，禁用后續(xù)的匹配線分段的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于還包括一旦在前面的匹配線分段中已經(jīng)檢測(cè)到“未命中”狀況時(shí)，有選擇地禁用與后續(xù)匹配線分段相關(guān)的搜索線驅(qū)動(dòng)器的步驟。
全文摘要
一種內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器(CAM)，包括多個(gè)行，每一行包括具有與其相連的多個(gè)CAM單元的多個(gè)匹配線分段。設(shè)置一電路，用于將匹配線分段預(yù)充電為不匹配狀況。對(duì)于每一個(gè)分段，讀出電路對(duì)匹配進(jìn)行檢測(cè)，并且作為響應(yīng)，啟用在后續(xù)分段中的放電路徑，以便在其中對(duì)匹配進(jìn)行檢測(cè)。這通過(guò)行中的所有分段來(lái)傳播，以產(chǎn)生針對(duì)該行的搜索結(jié)果。
文檔編號(hào)G11C15/04GK1623205SQ02828403
公開(kāi)日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2002年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月31日
發(fā)明者彼得·吉林厄姆, 艾倫·羅思 申請(qǐng)人:睦塞德技術(shù)公司