摘要：文章在簡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實現(xiàn)方案，并對方案涉及的各功能模塊實現(xiàn)進行了詳細闡述。
關鍵詞：散列表；FPGA；Wishbone總線；SRAM
0 引言
在軟硬件開發(fā)過程中，經常需要通過關鍵字對數(shù)據(jù)信息進行存儲、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)過程中得到廣泛應用。本文基于FPGA設計并實現(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)設定的散列函數(shù)Hash(Key)和處理沖突的方法將一組關鍵字映像到一個有限的連續(xù)的地址區(qū)間上，并以關鍵字在地址集中的“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(shù)對于關鍵字集合中的任一個關鍵字，經散列后映象到地址集合中任何一個地址的概率是相等的?？紤]到FPGA實現(xiàn)的效率及復雜度，本文采用了CRC算法作為散列函數(shù)，實現(xiàn)關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，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，每個鏈表首地址存放在FPGA內部的連續(xù)RAM中，表元存放在SRAM芯片中。每個表元主要包含關鍵字(Key)、數(shù)據(jù)(Data)和下一表元地址(Next)，由于關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總線標準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訪問的分時復用，采用基于內部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內部其它功能模塊之間交互的橋梁通道，采用Wishbone總線接口標準。Wishbone總線是由Silicore公司開發(fā)的完全免費的片上總線規(guī)范，具有靈活、“輕量級”的優(yōu)點。Wishone采用主／從設備架構，本模塊工作于從設備模式，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，調用不同的功能邏輯處理輸入數(shù)據(jù)，并返回應答；
(2)把關鍵字(Key)送到Hash運算模塊進行運算；
(3)把命令類型、Hash值、關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答；
(3)主控制器在收到添加命令后，首先查找是否存在關鍵字匹配表元，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。
2．3 空閑存儲區(qū)管理
為了實現(xiàn)存儲區(qū)的快速分配和有效管理，空閑存儲區(qū)管理模塊根據(jù)用戶設定的存儲區(qū)大小、分塊大小，把緩沖區(qū)分塊并組織成鏈表，并根據(jù)主控制器請求完成表元的刪除和添加。
(1)本模塊在接到復位信號后進入空閑狀態(tài)；
(2)接收到空閑存儲區(qū)初始化請求后，修改SRAM中每一表元的頭部數(shù)據(jù)建立鏈表，存儲鏈表首地址；
(3)接收到獲取緩沖區(qū)請求后，直接返回鏈表首地址，并根據(jù)鏈表首地址訪問SRAM中的表元頭部數(shù)據(jù)，得到下一表元地址并作為新的鏈表首地址進行存儲；
(4)接收到釋放緩沖區(qū)請求后，把鏈表首地址寫入到待釋放表元的下一表元地址字段，把鏈表首地址修改為待釋放表元地址。
2．4 表元查找
表元查找模塊在接到復位、放棄請求信號后，進入空閑狀態(tài)，等待主控制器發(fā)起查找請求。在收到查找請求后根據(jù)輸入的鏈表首地址從SRAM讀取第一塊數(shù)據(jù)區(qū)的頭部數(shù)據(jù)(含關鍵字、下一表元地址)，在訪問成功后進行關鍵字比較，成功則查找結束并返回當前表元地址和前一表元地址，否則根據(jù)下一表元地址循環(huán)查找直至最后一個表元，狀態(tài)轉換如圖4所示。表元刪除模塊需要使用當前表元地址及前一表元地址。
2．5 表元添加
表元添加模塊在接到復位信號后，進入空閑狀態(tài)，等待主控制器發(fā)起表元添加請求。在收到添加請求后把鏈表首地址添加到新表元頭部數(shù)據(jù)的下一表元地址字段，修改鏈表首地址為新添加表元地址。
2．6 表元刪除
表元刪除模塊在接到復位信號后，進入空閑狀態(tài)，等待主控制器發(fā)起表元刪除請求。在收到待刪除表元地址及其前一表元地址后，讀取待刪除表元頭部數(shù)據(jù)，獲取下一表元地址(A-NEXT)字段，并寫入前一表元的下一表元地址(BA-NEXT)字段，完成表元刪除。
2．7 數(shù)據(jù)輸入／輸出
數(shù)據(jù)輸入／輸出模塊主要完成輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)與SRAM之間的數(shù)據(jù)搬移，輸入?yún)?shù)有SRAM地址、操作類型、數(shù)據(jù)長度等信息。
2．8 快速查找緩沖模塊
為了提高散列表的查找效率，使用FPGA構建小容量的CAM，CAM表中存儲HASH值、關鍵字、表元地址及前一表元地址。主控制器在生成表元查找請求時，使用CAM進行查找，如果CAM查找成功則放棄表元查找，否則在表元查找成功后，把新的表元HASH值、關鍵字、表元地址等信息寫入CAM表項。
CAM表采用簡單的循環(huán)更換方式作為表元替換策略，具有簡單高效的特點，但并不排除某些特定應用命中率不高的問題。FPGA邏輯實現(xiàn)過程中，保證CAM表中沒有兩個HASH值相同的表項。
2．9 存儲訪問仲裁器
存儲訪問仲裁器采用Wishbone接口方式，可處理空閑緩沖區(qū)管理、表元查找、表元添加、表元刪除、數(shù)據(jù)輸入／輸出等五個模塊的SRAM訪問請求信號，仲裁器采用輪詢方式處理各個模塊的請求信號，建立與SRAM接口控制器之間的連接。SRAM接口控制器采用Brust方式實現(xiàn)對SRAM芯片的讀／寫操作。
3 結論
本設計方案通過模塊仿真和在Spartan-3EXC3S1600E芯片的實際測試，實驗結果表明，基于FPGA和SRAM實現(xiàn)的分離鏈接散列表對于大數(shù)據(jù)量管理具有良好的應用價值。但是，由于每個散列表應用場景不同，如關鍵字長度、管理數(shù)據(jù)量、FPGA資源等，因此具體實現(xiàn)過程中，需要根據(jù)實際情況對散列表各功能模塊進行差異化處理。
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