一種散列表的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)

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

0 引言
在軟硬件開發(fā)過程中，經(jīng)常需要通過關(guān)鍵字對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲、查找、刪除等操作，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的管理。散列表能夠以常數(shù)平均時間實現(xiàn)插入、刪除和查找，因此在實現(xiàn)過程中得到廣泛應(yīng)用。本文基于FPGA設(shè)計并實現(xiàn)了一種分離鏈接法解決散列表，利用快速查找緩沖區(qū)提高查詢效率，采用空閑存儲區(qū)管理模塊實現(xiàn)存儲空間的高效分配及釋放。

1 工作原理
散列表根據(jù)設(shè)定的散列函數(shù)Hash(Key)和處理沖突的方法將一組關(guān)鍵字映像到一個有限的連續(xù)的地址區(qū)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。散列表的實現(xiàn)主要研究兩個問題：散列函數(shù)的選取和沖突解決的辦法。
1．1 散列函數(shù)選取
一個好的散列函數(shù)可以使關(guān)鍵字盡量隨機(jī)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(shù)對于關(guān)鍵字集合中的任一個關(guān)鍵字，經(jīng)散列后映象到地址集合中任何一個地址的概率是相等的。考慮到FPGA實現(xiàn)的效率及復(fù)雜度，本文采用了CRC算法作為散列函數(shù)，實現(xiàn)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放地址法和分離鏈接法。在開放定址散列算法系統(tǒng)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(tǒng)，通過給新單元分配地址空間，建立鏈表來解決沖突。因為所有的數(shù)據(jù)都要置于表內(nèi)，所以開放定址散列法所需要的表要比分離鏈接散列用表大。一般說來，對開放定址散列算法來說，裝填因子應(yīng)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(jié)構(gòu)，每個鏈表首地址存放在FPGA內(nèi)部的連續(xù)RAM中，表元存放在SRAM芯片中。每個表元主要包含關(guān)鍵字(Key)、數(shù)據(jù)(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問頻繁，在FPGA實現(xiàn)過程中把這兩個字段置于每個表元的頭部，盡量在一次SRAM的Brust讀／寫操作內(nèi)完成。

2 FPGA實現(xiàn)
如圖2所示，分離鏈接散列表采用Wishbone總線標(biāo)準(zhǔn)接口與外部組件交互，采用接口控制器實現(xiàn)Wishbone總線管理，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，采用存儲訪問仲裁器實現(xiàn)各模塊SRAM訪問的分時復(fù)用，采用基于內(nèi)部CAM的快速查找緩沖模塊實現(xiàn)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(nèi)部其它功能模塊之間交互的橋梁通道，采用Wishbone總線接口標(biāo)準(zhǔn)。Wishbone總線是由Silicore公司開發(fā)的完全免費(fèi)的片上總線規(guī)范，具有靈活、“輕量級”的優(yōu)點。Wishone采用主／從設(shè)備架構(gòu)，本模塊工作于從設(shè)備模式，支持“單次讀／寫”和“塊讀／寫”操作。接口控制器實現(xiàn)以下功能：
(1)根據(jù)地址信息的不同，調(diào)用不同的功能邏輯處理輸入數(shù)據(jù)，并返回應(yīng)答；
(2)把關(guān)鍵字(Key)送到Hash運(yùn)算模塊進(jìn)行運(yùn)算；
(3)把命令類型、Hash值、關(guān)鍵字按格式送入命令輸入緩沖區(qū)；
(4)把待寫入SRAM的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)；
(5)處理狀態(tài)讀取命令，返回模塊當(dāng)前狀態(tài)；
(6)處理數(shù)據(jù)讀取命令，從緩沖區(qū)輸出數(shù)據(jù)、讀取數(shù)據(jù)并輸出。
2．2 主控制器
主控制器是散列表FPGA實現(xiàn)的核心模塊，循環(huán)讀取命令輸入緩沖區(qū)中的命令數(shù)據(jù)，并根據(jù)命令類型生成表元查找、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(fù)位信號失效后，給空閑存儲區(qū)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(qū)送入的命令數(shù)據(jù)；
(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(jù)命令內(nèi)容給數(shù)據(jù)輸入／輸出模塊發(fā)送請求，完成數(shù)據(jù)讀取和寫入，否則完成本次操作返回應(yīng)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(qū)管理模塊發(fā)送請求獲取空閑表元，成功后根據(jù)命令內(nèi)容給數(shù)據(jù)輸入／輸出模塊發(fā)送請求，完成數(shù)據(jù)讀取和寫入。
(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(qū)到空閑緩沖區(qū)池。