CN111722829A - 一种双并发预读的高性能归并排序方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双并发预读的高性能归并排序方法及应用，方法包括：预读控制模块按照顺序从待排序队列A和待排序队列B中读取待排序对象分别送入数据寄存模块A通道的寄存器中和数据寄存模块B通道的寄存器中，比较单元中的比较器根据设定的比较规则对A通道的寄存器中的对象和B通道的寄存器中的对象按照同类型属性进行比较，获取一组比较结果，输出控制模块根据比较结果，将满足设定的排序规则的对象输出到归并结果存放队列中；本发明提高了归并的效率，相对于目前已有的优化归并算法，实现了归并模块的复用，能够执行可变长序列归并的要求，结构简单，节约资源。

Description

一种双并发预读的高性能归并排序方法及应用

技术领域

本发明涉及归并排序，具体涉及一种双并发预读的高性能归并排序方法及应用。

背景技术

排序是数据管理中最基本的计算内核之一，在科学技术领域已经有了极其详尽的研究，是计算机领域中必不可少的基本数据处理操作，通过排序可以使得数据能够以一定的顺序进行全面排列，减少后续操作的时间。

归并操作时将两个或两个以上有序队列合并成一组新的有序表，其实现方法属于基于网络的排序方法，不仅具有稳定性而且具有良好的时间复杂度。

现有的基于可编程逻辑器件的归并排序方法是利用比较器做两两归并，得到n/2个长度为2的子序列，再做两两归并，……如此重复，直到最后得到一个长度为n的有序队列，归并效率有待提高。其输入队列是固定的，无法对不同长度队列归并比较。

发明内容

本发明的目的：在于提供一种双并发预读的高性能归并排序方法及应用，解决上述现有技术中的一个或多个缺陷。

技术方案：本发明提供的双并发预读的高性能归并排序方法，基于预读控制模块连接待排序队列模块与数据寄存模块，并结合比较单元、输出控制模块，实现对待排序队列模块中的待排序对象进行归并排序，方法具体包括如下步骤：

步骤1、针对待排序队列模块中的待排序队列A和待排序队列B，预读控制模块按照顺序从待排序队列A中读取待排序对象并送入数据寄存模块的A通道的寄存器中，按照顺序从待排序队列B中读取待排序对象并送入数据寄存模块的B通道的寄存器中；A通道的寄存器个数和B通道的寄存器个数相等；待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象已按同类型属性进行升序或降序排列；

步骤2、比较单元中的多个比较器根据设定的比较规则，对A通道的寄存器中的对象和 B通道的寄存器中的对象按同类型属性进行比较，获得一组比较结果；

步骤3、输出控制模块根据比较结果，将满足设定的排序规则的对象输出到归并结果存储队列中；

步骤4、预读控制模块检测待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象是否全部完成排序，若是，等待下一轮的归并排序，否则，跳转至步骤1。

对象包括数据、指令，同类型属性为优先级。

数据寄存模块的A通道的寄存器包括寄存器A_1和寄存器A_2，所述数据寄存模块的B通道的寄存器包括寄存器B_1和寄存器B_2；所述比较单元中包括3个比较器。

步骤2中的设定的比较规则包括：

三个比较器分别对寄存器A_1和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较，对寄存器A_2和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较，对寄存器A_1和寄存器B_2中存储的对象按同类型属性进行比较：

当A_1中存储的对象大于B_1中存储的对象时，比较结果sel[2]＝1，否则，比较结果sel[2]＝0；

当A_2中存储的对象大于B_1中存储的对象时，比较结果sel[0]＝1，否则，比较结果sel[0]＝0；

当A_1中存储的对象大于B_2中存储的对象时，比较结果sel[1]＝1，否则，比较结果sel[1]＝0。

步骤3中的设定的排序规则包括：

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，把寄存器A_1中存储的对象赋值给T1,寄存器A_2中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0,把寄存器A_1中存储的对象赋值给T1,寄存器B_1中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝0且sel[1]＝1且sel[0]＝0，把寄存器B_1中存储的对象赋值给T1,寄存器A_1中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝0且sel[1]＝0且sel[0]＝0，把寄存器B_1中存储的对象赋值给T1,寄存器B_2中存储的对象赋值给T2；

其中，T1与T2为输出控制模块输出的两个满足预设的排序规则的对象，所述T1的输出顺序优先于T2。

步骤1中，预读控制模块读取待排序对象，并将待排序对象送入数据寄存模块的方法包括如下步骤：

预读控制模块判断是否为第一次对象预读操作，

若是，从待排序队列A中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器A_1和寄存器A_2 中，从待排序队列B中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器B_1和寄存器B_2中；

否则，预读控制模块根据前一次的比较结果，按照如下所示的预读规则，从待排序队列 A与待排序队列B中读取待排序对象：

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，从待排序队列A中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器A_1与寄存器A_2中；

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0,或者sel[2]＝0且sel[1]＝1且sel[0]＝0,把寄存器A_2与寄存器B_2中原有的对象分别送入寄存器A_1与寄存器B_1中，从待排序队列A中和待排序队列B中各读取1个待排序对象，分别送入寄存器A_2和寄存器B_2中；

若sel[2]＝0且sel[1]＝0且sel[0]＝0，从待排序队列B中读取2个待排序对象，依次送入寄存器B_1与寄存器B_2中。

本发明所述的双并发预读的高性能归并排序方法，可应用于电力边缘网关的归并排序。

有益效果：相对于现有技术，本发明通过使用多个比较器对两个待排序队列中的待排序对象进行比较，并根据设定的排序规则，实现了归并模块的复用，能够进行灵活的读取控制，实现任意队列长度的队列的两两归并，优化了归并算法的实现方法，提高了归并效率。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的一个归并排序的系统结构框图；

图2是根据本发明实施例提供的另一个归并排序的系统结构框图；

图3是根据本发明实施例提供的归并排序的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如内部程序、技术之类的具体细节，是为了透彻的理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

参照图1，本发明提供的方法基于调度模块、待排序队列模块、数据寄存模块、比较单元、预读控制模块以及输出控制模块；通过在可编程逻辑器件上建立待排序队列模块、数据寄存模块、比较单元、预读控制模块以及输出控制模块；其中，待排序模块包括待排序队列 A和待排序队列B，待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象已按同类型属性进行升序或降序排列，对象包括数据、指令；数据寄存模块中包括A通道和B通道，A通道和B通道包括多个用于存储待排序队列中的待排序对象的多个寄存器，A通道和B通道中寄存器的个数相同；比较单元包括多个比较器。

调度模块获取待排序对象，将待排序对象分为两部分，并将两部分待排序对象按照同类型属性进行升序或降序排列后，分别存放在待排序队列A和待排序队列B中，待排序队列A 和待排序队列B中的对象个数可以相等，也可以不相等。

在进行归并排序时，预读控制模块按照顺序从待排序队列A中读取待排序对象并送入数据寄存模块的A通道的寄存器中，按照顺序从待排序队列B中读取待排序对象并送入数据寄存模块的B通道的寄存器中；比较单元中的多个比较器根据设定的比较规则，对A通道的寄存器中的对象和B通道的寄存器中的对象按同类型属性进行比较，获得一组比较结果；输出控制模块根据比较结果，将满足设定的排序规则的对象输出到归并结果存储队列中；预读控制模块检测待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象是否全部完成排序，若是，进行下一轮的归并排序，否则预读控制模块根据上一次的比较结果，对用于存储待排序队列A的 FIFO A和用于存储待排序队列B的FIFO B给出相应的读使能控制，读取数据送入寄存器中，更新寄存器存储的对象，进行下一轮比较。

参照图1，在一个实施例中，待排序队列模块的FIFO A和FIFO B中的待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象已按照对电力系统的状态参数进行测量的传感器的优先级进行降序排列，即A1>A2>…>Ai＞Ai+1＞…AI，B1>B2>…>Bj>Bj…>BJ，其中，Ai表示待排序队列A中的第i个待排序对象，I表示待排序队列A中待排序对象的总数；Bj表示待排序队列B中的第j个待排序对象，J表示待排序队列B中待排序对象的总数；

数据寄存模块的A通道的寄存器包括寄存器A_1和寄存器A_2，所述数据寄存模块的B通道的寄存器包括寄存器B_1和寄存器B_2；所述比较单元中包括3个比较器，分别标记为第一比较器、第二比较器、第三比较器；同类型属性包括优先级，待排序队列A和待排序队列B 中的待排序对象按照对电力系统的状态参数进行测量的传感器的优先级进行降序排列；在该实施例中，进行归并排序的方法具体包括如下步骤：

步骤1：预读控制模块判断是否为第一次对象预读操作，若是，对FIFO A和FIFO B，分别给出两个时钟读使能有效，从待排序队列A中按照顺序读取2个待排序对象，将读取的第一个对象送入寄存器A_1中，将读取的第二个对象送入寄存器A_2中，从待排序队列B中按照顺序读取2个待排序对象，将读取的第一个对象送入寄存器B_1中，将读取的第二个对象送入寄存器B_2中，执行步骤3；否则，跳转步骤2；

步骤2：根据前一次的比较结果，按照下列所示的预读规则，从待排序队列A和待排序队列B中读取待排序对象：

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，从待排序队列A中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器A_1与寄存器A_2中；

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0,或者sel[2]＝0且sel[1]＝1且sel[0]＝0,把寄存器A_2与寄存器B_2中原有的对象分别送入寄存器A_1与寄存器B_1中，从待排序队列A中和待排序队列B 中各读取1个待排序对象，分别送入寄存器A_2和寄存器B_2中；

若sel[2]＝0且sel[1]＝0且sel[0]＝0，从待排序队列B中读取2个待排序对象，依次送入寄存器B_1与寄存器B_2中；

其中，sel[2]表示比较单元中的第一比较器对寄存器A_1和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较得到的比较结果；sel[2]＝1表示A_1中存储的对象大于B_1中存储的对象， sel[2]＝0表示A_1中存储的对象小于B_1中存储的对象；

sel[0]表示比较单元中的第二比较器对寄存器A_2和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较得到的比较结果；sel[0]＝1表示A_2中存储的对象大于B_1中存储的对象，sel[0]＝0 表示A_2中存储的对象小于B_1中存储的对象

sel[1]表示比较单元中的第三比较器对寄存器A_1和寄存器B_2中存储的对象按同类型属性进行比较得到的比较结果；sel[1]＝1表示A_1中存储的对象大于B_2中存储的对象,sel[1]＝0表示A_1中存储的对象小于B_2中存储的对象；

步骤3：经过预设的K个时钟的延迟后，比较单元中的3个比较器根据设定的比较规则，对A通道和B通道的寄存器中存储的对象按同类型属性进行比较，获得一组比较结果sel[2]、 sel[0]、sel[1]；

比较单元的各个比较器有a端口和b端口，第一比较器的a端口和b端口的输入对象分别来自寄存器A_1和寄存器B_1中存储的对象，第二比较器的a端口和b端口的输入对象分别来自寄存器A_2和寄存器B_1中存储的对象，第三比较器的a端口和b端口的输入对象分别来自寄存器A_1和寄存器B_2中存储的对象：

即，设定的比较规则为：

第一比较器分别对寄存器A_1和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较，第二比较器对寄存器A_2和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较，第三比较器对寄存器A_1 和寄存器B_2中存储的对象按同类型属性进行比较：

当A_1中存储的对象大于B_2中存储的对象时，比较结果sel[2]＝1，否则，比较结果sel[2]＝0；

当A_2中存储的对象大于B_1中存储的对象时，比较结果sel[0]＝1，否则，比较结果sel[0]＝0；

当A_1中存储的对象大于B_2中存储的对象时，比较结果sel[1]＝1，否则，比较结果sel[1]＝0；

步骤4：比较单元将步骤3中得到的比较结果送入输出控制模块，输出控制模块根据比较结果，将满足设定的排序规则的对象输出到归并结果存放队列中，并根据比较结果，给出待排序队列A和待排序队列B的读使能；设定的排序规则为：

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，把寄存器A_1中存储的对象赋值给T1,寄存器A_2中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0,把寄存器A_1中存储的对象赋值给T1,寄存器B_1中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝0且sel[1]＝1且sel[0]＝0，把寄存器B_1中存储的对象赋值给T1,寄存器A_1中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝0且sel[1]＝0且sel[0]＝0，把寄存器B_1中存储的对象赋值给T1,寄存器B_2中存储的对象赋值给T2；

其中，T1与T2为输出控制模块输出的两个满足预设的排序规则的对象，所述T1的输出顺序优先于T2；

步骤5：预读控制模块检测待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象是否全部完成排序，若是，等待下一轮的归并排序，否则，跳转步骤1；

在完成归并排序后，归并结果存放队列中存放的对象为按照对象的同属性类型进行降序排序的一列对象，归并结果存放队列中存放的对象包括待排序队列A和待排序队列B中的所有对象。

参照图2、图3所示的实施例，在FIFO A和FIFO B中分别存放了按降序规则排列的部分有序对象，由于是第一次进行归并排序，所以在预读模块的控制下，对FIFO A和FIFO B分别给出了两个时钟有效的FIFO_B_rena和FIFO_A_rena读使能信号。经过一个时钟的延迟，FIFO A读出数据100和65，FIFO B读出数据90和60。从FIFO A读出的第一个数送入 A_1寄存，第二个数送入A_2寄存；从FIFO B读出的第一个数送入B_1寄存，第二个数送入B_2寄存。在数据数据寄存模块完成数据更新后，将A通道和B通道的数据送入比较单元，经过2 个时钟周期的延迟，得到了比较结果sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0，在输出控制模块，根据规则，将A_1＝100赋值给T1，将B_1＝90赋值给T2，并对FIFO A和FIFO B给出一个时钟周期读使能有效。进入第二次读数比较。

进行第二次操作时，将FIFO A读出的数据送入A_2寄存，同时将A_2中的数据送入A_1寄存；将FIFO B读出的数据送入B_2寄存，同时将B_2中的数据送入B_1寄存。从而A_1＝65，A_2＝ 64，Bj＝60,B_2＝56，即数据数据寄存模块完成数据更新。再次经过两个时钟周期的延迟，得到比较结果sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，在输出控制模块，根据规则，将A_1＝65赋值给 T1，将A_2＝64赋值给T2，并对FIFO A给出两个时钟周期读使能有效，FIFO B不读取数据。进入下一次读数比较。

预读控制模块读取待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象送入数据寄存模块的A通道和B通道中，比较单元采用3个比较器对数据寄存模块的4个待排序对象完成比较并输出3个比较结果，控制模块根据这3个比较结果把数据寄存模块中的2个数据同时存储到归并结果存放队列中，通过预读2个待排序队列中的待排序对象的方式，相较于传统的归并算法，提高了归并效率；使用3个比较器和设定的排序规则，相较于现有的归并算法，实现了归并模块的复用，能够执行可变长序列归并，结构简单，节约资源。

本发明提供的双并发预读的高性能归并排序方法，可应用于电力边缘网关中，在一个实施例中，待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象为电力边缘网关接收的对电力系统进行状态参数采集的多个类型的传感器的优先级，以及各传感器采集的电力系统的状态参数；待排序队列A和待排序队列B中的对象已按照各传感器的优先级进行升序或降序排列，按照前述的双并发预读的高性能归并排序方法对待排序队列A和待排序队列B中的传感器的优先级进行归并排序，获取一个按照优先级进行排序的归并结果存放队列，根据归并结果存放队列，实现对高优先级传感器所采集的电力系统的状态参数的优先读取。

以上详细描述了本发明的具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，基于预读控制模块连接待排序队列模块与数据寄存模块，并结合比较单元、输出控制模块，实现对待排序队列模块中的待排序对象进行归并排序，所述方法包括如下步骤：

步骤1、针对待排序队列模块中的待排序队列A和待排序队列B，预读控制模块按照顺序从待排序队列A中读取待排序对象并送入数据寄存模块的A通道的寄存器中，按照顺序从待排序队列B中读取待排序对象并送入数据寄存模块的B通道的寄存器中；A通道的寄存器个数和B通道的寄存器个数相等；所述待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象已按同类型属性进行升序或降序排列；

步骤2、比较单元中的多个比较器根据设定的比较规则，对A通道的寄存器中的对象和B通道的寄存器中的对象按同类型属性进行比较，获得一组比较结果；

步骤3、输出控制模块根据比较单元获取的比较结果，将满足设定的排序规则的对象输出到归并结果存储队列中；

步骤4、预读控制模块检测待排序队列A和待排序队列B中的待排序对象是否全部完成排序，若是，等待下一轮的归并排序，否则，跳转至步骤1。

2.根据权利要求1所述的双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，所述对象包括数据、指令。

3.根据权利要求1所述的双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，所述同类型属性为优先级。

4.根据权利要求1所述的双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，所述数据寄存模块的A通道的寄存器包括寄存器A_1和寄存器A_2，所述数据寄存模块的B通道的寄存器包括寄存器B_1和寄存器B_2；所述比较单元中包括3个比较器。

5.根据权利要求4所述的双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，在步骤2中所述的设定的比较规则包括：

三个比较器分别对寄存器A_1和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较，对寄存器A_2和寄存器B_1中存储的对象按同类型属性进行比较，对寄存器A_1和寄存器B_2中存储的对象按同类型属性进行比较：

当A_1中存储的对象大于B_1中存储的对象时，比较结果sel[2]＝1，否则，比较结果sel[2]＝0；

当A_2中存储的对象大于B_1中存储的对象时，比较结果sel[0]＝1，否则，比较结果sel[0]＝0；

当A_1中存储的对象大于B_2中存储的对象时，比较结果sel[1]＝1，否则，比较结果sel[1]＝0。

6.根据权利要求4所述的双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，在步骤3中所述的设定的排序规则包括：

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，把寄存器A_1中存储的对象赋值给T1,寄存器A_2中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0,把寄存器A_1中存储的对象赋值给T1,寄存器B_1中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝0且sel[1]＝1且sel[0]＝0，把寄存器B_1中存储的对象赋值给T1,寄存器A_1中存储的对象赋值给T2；

若sel[2]＝0且sel[1]＝0且sel[0]＝0，把寄存器B_1中存储的对象赋值给T1,寄存器B_2中存储的对象赋值给T2；

其中，T1与T2为输出控制模块输出的两个满足预设的排序规则的对象，所述T1的输出顺序优先于T2。

7.根据权利要求5所述的双并发预读的高性能归并排序方法，其特征在于，在步骤1中，预读控制模块读取待排序对象，并将待排序对象送入数据寄存模块的方法包括如下步骤：

预读控制模块判断是否为第一次对象预读操作，

若是，从待排序队列A中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器A_1和寄存器A_2中，从待排序队列B中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器B_1和寄存器B_2中；

否则，预读控制模块根据前一次的比较结果，按照如下所示的预读规则，从待排序队列A与待排序队列B中读取待排序对象：

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝1，从待排序队列A中按照顺序读取2个待排序对象，依次送入寄存器A_1与寄存器A_2中；

若sel[2]＝1且sel[1]＝1且sel[0]＝0,或者sel[2]＝0且sel[1]＝1且sel[0]＝0,把寄存器A_2与寄存器B_2中原有的对象分别送入寄存器A_1与寄存器B_1中，从待排序队列A中和待排序队列B中各读取1个待排序对象，分别送入寄存器A_2和寄存器B_2中；

若sel[2]＝0且sel[1]＝0且sel[0]＝0，从待排序队列B中读取2个待排序对象，依次送入寄存器B_1与寄存器B_2中。

8.一种双并发预读的高性能归并排序的应用，其特征在于，权利要求1至7任一项所述的方法，用于电力边缘网关的归并排序。

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