一種散列表的FPGA設計與實(shí)現

摘要：文章在簡(jiǎn)要介紹散列表工作原理的基礎上，提出了一種分離鏈接散列表的FPGA實(shí)現方案，并對方案涉及的各功能模塊實(shí)現進(jìn)行了詳細闡述。
關(guān)鍵詞：散列表；FPGA；Wishbone總線(xiàn)；SRAM

0 引言
在軟硬件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常需要通過(guò)關(guān)鍵字對數據信息進(jìn)行存儲、查找、刪除等操作，從而實(shí)現數據信息的管理。散列表能夠以常數平均時(shí)間實(shí)現插入、刪除和查找，因此在實(shí)現過(guò)程中得到廣泛應用。本文基于FPGA設計并實(shí)現了一種分離鏈接法解決散列表，利用快速查找緩沖區提高查詢(xún)效率，采用空閑存儲區管理模塊實(shí)現存儲空間的高效分配及釋放。

1 工作原理
散列表根據設定的散列函數Hash(Key)和處理沖突的方法將一組關(guān)鍵字映像到一個(gè)有限的連續的地址區間上，并以關(guān)鍵字在地址集中的“像”作為記錄在表中的存儲位置。散列表的實(shí)現主要研究?jì)蓚€(gè)問(wèn)題：散列函數的選取和沖突解決的辦法。
1．1 散列函數選取
一個(gè)好的散列函數可以使關(guān)鍵字盡量隨機均勻地分布在散列表中，降低沖突發(fā)生的概率，提高散列表查找的效率。理想的散列函數對于關(guān)鍵字集合中的任一個(gè)關(guān)鍵字，經(jīng)散列后映象到地址集合中任何一個(gè)地址的概率是相等的?？紤]到FPGA實(shí)現的效率及復雜度，本文采用了CRC算法作為散列函數，實(shí)現關(guān)鍵字到散列表地址的映射。
1．2 沖突解決方法
散列表解決沖突的方法主要有開(kāi)放地址法和分離鏈接法。在開(kāi)放定址散列算法系統中，如果有沖突發(fā)生，那么就要嘗試選擇另外的單元，直到找出空的單元位置。在分離鏈接散列算法系統，通過(guò)給新單元分配地址空間，建立鏈表來(lái)解決沖突。因為所有的數據都要置于表內，所以開(kāi)放定址散列法所需要的表要比分離鏈接散列用表大。一般說(shuō)來(lái)，對開(kāi)放定址散列算法來(lái)說(shuō)，裝填因子應低于0．5。

本文采用分離鏈接法解決散列表存在的沖突，建立如圖1所示散列表存儲結構，每個(gè)鏈表首地址存放在FPGA內部的連續RAM中，表元存放在SRAM芯片中。每個(gè)表元主要包含關(guān)鍵字(Key)、數據(Data)和下一表元地址(Next)，由于關(guān)鍵字和下一表元地址字段訪(fǎng)問(wèn)頻繁，在FPGA實(shí)現過(guò)程中把這兩個(gè)字段置于每個(gè)表元的頭部，盡量在一次SRAM的Brust讀／寫(xiě)操作內完成。

2 FPGA實(shí)現
如圖2所示，分離鏈接散列表采用Wishbone總線(xiàn)標準接口與外部組件交互，采用接口控制器實(shí)現Wishbone總線(xiàn)管理，采用主控制器生成表元查找、表元添加、表元刪除等模塊的控制信號，采用存儲訪(fǎng)問(wèn)仲裁器實(shí)現各模塊SRAM訪(fǎng)問(wèn)的分時(shí)復用，采用基于內部CAM的快速查找緩沖模塊實(shí)現表元地址的快速查找。

2．1 接口控制器
接口控制器作為本模塊與FPGA內部其它功能模塊之間交互的橋梁通道，采用Wishbone總線(xiàn)接口標準。Wishbone總線(xiàn)是由Silicore公司開(kāi)發(fā)的完全免費的片上總線(xiàn)規范，具有靈活、“輕量級”的優(yōu)點(diǎn)。Wishone采用主／從設備架構，本模塊工作于從設備模式，支持“單次讀／寫(xiě)”和“塊讀／寫(xiě)”操作。接口控制器實(shí)現以下功能：
(1)根據地址信息的不同，調用不同的功能邏輯處理輸入數據，并返回應答；
(2)把關(guān)鍵字(Key)送到Hash運算模塊進(jìn)行運算；
(3)把命令類(lèi)型、Hash值、關(guān)鍵字按格式送入命令輸入緩沖區；
(4)把待寫(xiě)入SRAM的數據送入數據輸入緩沖區；
(5)處理狀態(tài)讀取命令，返回模塊當前狀態(tài)；
(6)處理數據讀取命令，從緩沖區輸出數據、讀取數據并輸出。
2．2 主控制器
主控制器是散列表FPGA實(shí)現的核心模塊，循環(huán)讀取命令輸入緩沖區中的命令數據，并根據命令類(lèi)型生成表元查找、表元添加、表元刪除、空閑表元申請、空閑表元釋放及輸入／輸出等請求信號。

(1)主控制器在復位信號失效后，給空閑存儲區管理模塊發(fā)送初始化請求，在初始化完成后進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待命令輸入緩沖區送入的命令數據；
(2)主控制器在收到查找命令后，給表元查找模塊發(fā)送請求，匹配成功則根據命令內容給數據輸入／輸出模塊發(fā)送請求，完成數據讀取和寫(xiě)入，否則完成本次操作返回應答；
(3)主控制器在收到添加命令后，首先查找是否存在關(guān)鍵字匹配表元，匹配失敗則向緩沖區管理模塊發(fā)送請求獲取空閑表元，成功后根據命令內容給數據輸入／輸出模塊發(fā)送請求，完成數據讀取和寫(xiě)入。
(4)主控制器在收到刪除命令后，首先查找是否存在關(guān)鍵字匹配表元，匹配成功則向表元刪除模塊發(fā)送請求，并在刪除成功后釋放緩沖區到空閑緩沖區池。