CN1987771A - 一种实现数据排序的硬件电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现数据排序的硬件电路及方法，所述电路主要用于从m个数据中找出n个最大(或最小)的数据，m≥n，并且同时实现对这n个最大(或最小)的值进行大小排序。具体包括：一组寄存器，一组比较器，一组n+1选1的多路选择器，两组2选1的多路选择器，一组极值指针寄存器，一个2选1的多路选择器，一个当前采样(新采样)写指针寄存器，一个地址译码器。所述的方法和装置，采用硬件电路来实现数据的排序，此电路每个时钟可以处理一个数据，如果使用多套排序电路并行工作，排序时间还可以成倍减少，所以本电路的实时处理性强，可以满足对处理时间要求比较高的场合。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，具体涉及一种实现数据排序的硬件电路及方法。
背景技术
在数字信号处理中，经常需要对一系列数据进行排序，比如要对m个数据的大小顺序进行排序，或者从m个数据中找出n个最大(或最小)的数据，m≥n，以确定这些数据的优先级别。
现有的技术主要为软件排序。虽然软件排序的算法很多，但由于软件的运算速度较慢，无法满足实时性要求比较高的环境。比如通信系统的基站在进行小区搜索时，需要从大量的数据中找到真正的信号，并迅速向移动终端反馈信息，这个时间间隔要求很短，通常在1ms左右，在小区半径比较大或搜索的小区比较多时，需要处理的数据量非常庞大，经常达到十万的量级，软件无法在如此短时间内实现如此多数据的查找排序。
发明内容
本发明目的在于克服软件排序花费时间长的缺点，使用硬件电路来实现数据的排序，可以满足实时性要求比较高的场合。
为了实现上述发明目的，本发明具体是这样实现的：
一种实现数据排序的硬件电路，包括：
一组寄存器(A)，一组比较器(B)，一组n+1选1的多路选择器(C)，一组2选1的多路选择器(D)，一组2选1的多路选择器(E)，一组极值指针寄存器(F)，一个2选1的多路选择器(EN)，一个当前采样(新采样)写指针寄存器(FN)，一个地址译码器(G)；输入数据连接到寄存器组(A)和比较器组(B)，输出为寄存器组(A)和极值指针寄存器组(F)的输出；
所述地址译码器(G)的输出连接到寄存器组(A)的输入使能端；寄存器组(A)的输出作为比较器组(B)的输入；比较器组(B)的输出作为多路选择器组(C)的输入，极值指针寄存器组(F)作为多路选择器组(C)的控制端；多路选择器组(C)的输出作为多路选择器组(D)的控制端，新采样写指针寄存器(FN)和极值指针寄存器组(F)作为多路选择器组(D)的输入端；多路选择器组(C)的输出作为多路选择器组(E)的控制端，多路选择器组(D)的输出和极值指针寄存器组(F)作为多路选择器组(E)的输入端；多路选择器组(E)的输出作为极值指针寄存器组(F)的输入端；多路选择器组(C)的输出作为多路选择器(EN)的控制端，新采样写指针寄存器(FN)和极值指针寄存器组(F)作为多路选择器(EN)的输入端；多路选择器(EN)的输出作为新采样写指针寄存器(FN)的输入端，新采样写指针寄存器(FN)作为地址译码器(G)的输入端。
所述寄存器(A)中有额外一个空间来存放当前的采样输入，其存储位置由新采样写指针寄存器(FN)指定。
一种上述硬件电路实现数据排序的方法，其特征在于：
步骤1、根据要查找值个数n，确定寄存器组(A)，比较器组(B)，n+1选1的多路选择器组(C)，2选1的多路选择器组(D)和(E)，极值指针寄存器组(F)的深度，以及两组2选1的多路选择器组、极值指针寄存器组(F)、2选1的多路选择器(EN)和当前采样写指针寄存器(FN)的宽度；
步骤2、选择待查找的数据源的个数m，以确定电路的运行时间为m个时钟；
步骤3、根据查找数值类型，选择比较器的输出类型；
步骤4、复位寄存器组、极值指针寄存器组和新采样写指针寄存器；
步骤5、每个时钟向电路输入一个数据；
步骤6、经过m个时钟后停止本电路，此时寄存器组中保存的即为n个极值，极值指针寄存器组内保存的是这些极值的大小顺序。
所述步骤1中：
寄存器组(A)和比较器组(B)深度为n+1；
n+1选1的多路选择器组(C)，2选1的多路选择器组(D)，极值指针寄存器组(F)的深度为n；
2选1多路选择器(E)的深度为n-1；
n+1选1的多路选择器组(C)的宽度为1；
2选1的多路选择器组(D)和(E)，极值指针寄存器组(F)，2选1的多路选择器(EN)和当前采样写指针寄存器(FN)的宽度为大于或等于log2(n+1)的最小整数。
所述步骤4中：
极值指针寄存器组(F)和当前采样写指针寄存器(FN)要分别复位，且复位后的值各不相同；查找最大值时，寄存器组(A)全部复位为其最小值，否则寄存器组(A)全部复位为其最大值。
采用本发明所述的方法和装置，与现有技术相比，本发明克服了软件排序花费时间长，不能用于实时性要求高的场合的缺点。本发明使用硬件电路来实现数据的排序，此电路每个时钟可以处理一个数据，目前的集成电路一般可以工作在100MHz以上，对10万个数据进行排序的时间小于1ms，如果使用多套排序电路并行工作，排序时间还可以成倍减少，所以本电路的实时处理性强，可以满足对处理时间要求比较高的场合。
附图说明
图1为一个单链表的示意图；
图2为对图1进行重新排列并去掉空指针后得到的单链表；
图3为一个2选1的多路选择器；
图4为一个16选1的多路选择器；
图5为本发明的电路结构框图；
图6为本发明的一个具体实施例；
图7为本发明所述方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
在说明本发明之前，先对本发明的原理作一个简要的说明。
本方法的主要思想来源于软件数据结构中的单链表，单链表是存储数据的一种结构，访问存储在链表中的数据时，需要查询一组指针，这组指针的内容为这些数据的存储位置。
附图1为一个单链表的示意图，头指针为d0的存储位置，指针1为d1的存储位置，......，指针n为dn的存储位置，最后是一个空指针，如果n为一个固定的数，可以不使用最后的空指针。
附图2为对附图1进行重新排列并去掉空指针后得到的单链表。
为了更好的解释本发明，下面对本发明中用到的一些元件进行说明。
附图3为一个2选1的多路选择器，i0，i1为数据输入端口，s为选择控制端口，z为输出端口，当s为0时，z的输出为i0，当s为1时，z的输出为i1。
附图4为一个16选1的多路选择器，i为数据输入端口，s为选择控制端口，z为输出端口。i的位宽为16，i由i15， i14， i13，......，i1，i0组成；s的位宽为4，取值范围为0-15。当s的值为j时，z的输出为ij，这里j的取值范围为0-15。如果一个多路选择器的输入位宽是其他值，其工作原理与16选1的多路选择器是相似的。可以用2选1的多路选择器搭建16选1的多路选择器或其他类型的多路选择器。
通用的比较器一般有两个输入A和B，三个输出，一个输出判断A是否大于B，一个判断A是否等于B，另一个判断A是否小于B。本发明中用到的比较器只需要一个输出，根据需要可以是判断A是否大于B的，也可以是判断A是否小于B的。
本发明所述的排序电路主要用于从m个数据中找出n个最大(或最小)的数据，m≥n，并且同时实现对这n个最大(或最小)的值进行大小排序。此电路主要由以下几个部分组成：一组寄存器A，一组比较器B，一组n+1选1的多路选择器C，一组2选1的多路选择器D，一组2选1的多路选择器E，一组极值指针寄存器F，一个2选1的多路选择器EN，一个当前采样(新采样)写指针寄存器FN，一个地址译码器G。
本电路的输入连接到寄存器组A和比较器组B，本电路的输出为寄存器组A和极值指针寄存器组F。
地址译码器G的输出连接到寄存器组A的输入使能端；寄存器组A的输出作为比较器组B的输入；比较器组B的输出作为多路选择器组C的输入，极值指针寄存器组F作为多路选择器组C的控制端；多路选择器组C的输出作为多路选择器组D的控制端，新采样写指针寄存器FN和极值指针寄存器组F作为D的输入端；多路选择器组C的输出作为多路选择器组E的控制端，多路选择器组D的输出和极值指针寄存器组F作为E的输入端；多路选择器组E的输出作为极值指针寄存器组F的输入端；多路选择器组C的输出作为多路选择器EN的控制端，新采样写指针寄存器FN和极值指针寄存器组F作为EN的输入端；多路选择器EN的输出作为新采样写指针寄存器FN的输入端，新采样写指针寄存器FN作为地址译码器G的输入端。如附图5所示。
利用上述电路生进行数据排序的方法，包括下列步骤：
步骤1、根据要查找最大值(或最小值)的个数n，确定本发明电路中A、B、C、D、E、F的深度和D、E、EN、F、FN的宽度。
A和B的深度为n+1，C、D、F的深度为n，E的深度为n-1，C的宽度为1，D、E、EN、F、FN的宽度为大于或等于log2(n+1)的最小整数；
步骤2、选择待查找的数据源的个数m，以确定电路的运行时间为m个时钟，
步骤3、根据查找类型，即，要查找最大值还是最小值选择比较器的输出类型；
步骤4、复位寄存器组A、极值指针寄存器组F和新采样写指针寄存器FN；
F和FN要分别复位为0，1，2，......，n，要保证他们复位后的值各不相同；查找最大值时，寄存器组A全部复位为其最小值，否则寄存器组A全部复位为其最大值。
步骤5、每个时钟向本发明的电路输入一个数据(采样)；
步骤6、经过m个时钟后停止本电路，此时寄存器组A中保存的即为n个极值，极值指针寄存器组F内保存的是这些极值的大小顺序。
使用寄存器组A保存当前的n个极值，极值指针寄存器组F用于记录A中各个极值的大小顺序，寄存器组A中另外有一个空间用于记录新的采样。
新的采样同时与A中所有的值进行比较，根据极值指针寄存器组F和比较器组B的比较结果来判断新的采样是否是一个新的极值，并同时判断出新的大小顺序。
如果当前采样不是新的极值，原先的大小顺序不变，下个当前采样在A中的写入位置与当前相同，否则原先的极值当中有一个将不再是极值，其在A中存储位置将变为下个当前采样在A中的写入位置。
上述极值大小顺序的调整和当前采样写入位置判断的操作通过n+1选1的多路选择器组C、2选1的多路选择器组D、2选1的多路选择器组E、极值指针寄存器组F、2选1的多路选择器EN、新采样写指针寄存器FN和地址译码器G共同来实现。
下面以从1000个无符号数据中选择15个最大值为例，详细讲解本发明所述的电路。
查找最小值的原理与查找最大值的原理类同。
此电路的详细结构如附图6所示，15个极值指针寄存器记录了当前15个最大值在寄存器组A中的存储位置，指针寄存器F-0记录当前最大值的位置，指针寄存器F-1记录当前次大值的位置，......，指针寄存器F-13记录当前次小值的位置，指针寄存器F-14记录当前最小值的位置。存储器A中虽然存储了15个最大值，但并不是一定按大小顺序存储，其大小顺序靠这15个极值指针寄存器来记录。存储器A中有额外一个空间周来存放当前的采样输入，其存储位置由新采样写指针寄存器FN指定。
当前采样进来后同时与寄存器组A中的16个值进行比较，以判断其是否是一个新的极值。如果当前采样没有当前15个最大值中的最小值大，则下个采样的写入位置保持不变仍然为FN的值；如果当前采样比前15个最大值中的任何一个大，则将下个采样的写位置替换为原先15个最大值中最小值的位置，并同时调整15个极值指针的内容，即同时调整寄存器组A中各个数据的大小顺序。
这里的电路实现为：多路选择器EN的选择控制端为C-14的输出，EN的输入为FN和F-14，EN的输出为FN的输入，当C-14取值为0时，EN输出为FN，C-14取值为1时，EN输出为F-14。
在系统复位后，将15个指针寄存器F和新采样写指针寄存器FN复位，这里将指针0复位为15，指针1复位为14，指针2复位为13，......，指针14复位为1，指针FN复位位0；并且将寄存器组A全部复位为0。如图6中最右边所示。
寄存器组A中的16个值A-0，A-1，...，A-15(包含当前15个最大值)同时与当前采样进行比较，比较时使用16个比较器B-0，B-1，...，B-15，如果当前采样比A-s大，B-s输出为1，否则B-s的输出为0，s＝1，...15。极值指针寄存器F-i记录了第i号最大值的存储位置，i＝1，...14，因此可以通过极值指针寄存器F-i获得第i号最大值与当前采样的比较结果。多路选择器组C中有15个16选1的多路选择器，以极值指针寄存器F-i作为C-i的选择控制端，以B-0，B-1，...，B-1 5作为C-i的输入，C-i的输出为极值指针寄存器F-i对应的极值与当前采样的大小比较结果，如附图6中所示。
15个最大值的指针寄存器中，极值指针寄存器F-i记录的是当前第i个最大值的存储位置，i＝0，...，14，即极值指针0对应当前最大值，极值指针1对应当前次大值，......，极值指针1 4对应当前15个最大值中的最小值。
如果当前采样没有寄存器组A中当前15个最大值中的最小值大，则下个采样的写位置仍然为新采样写指针寄存器FN的值，15个极值指针的内容也不用调整；如果当前采样比寄存器组A中当前15个最大值中的任何一个大，则下个采样的写位置为原先15个最大值中最小值的位置，即极值指针寄存器F-14的值。
对于15个极值指针寄存器中的任何一个指针寄存器F-i来说，如果当前采样没有自己对应的值大，则指针寄存器F-i的内容不需要更改；如果当前采样刚好替代了原先第i个最大值的大小位置，则指针寄存器F-i替换为当前采样指针的值，即替换为新采样写指针寄存器FN的内容；如果当前采样比指针寄存器F-i-1对应的值还大，则指针寄存器F-i的内容要替换为指针寄存器F-i-1的内容；这里，当前采样与第i-1个最大值的比较结果优先级高于当前采样与第i个最大值的比较结果。
在本发明中，其电路实现为：将第i个最大值与当前采样的比较结果C-i作为多路选择器D-i的选择控制端，FN和F-i做为D-i的输入，C-i为1时D-i的输出为FN，否则输出为F-i；将笫i-1个最大值与当前采样的比较结果C-i-1作为多路选择器E-i的选择控制端，D-i和F-i-1做为E-i的输入，C-i-1为1时E-i的输出为F-i-1，否则输出为D-i；E-i的输出作为指针F-i的输入，如附图6中所示。
对于指针0来讲，由于指针0对应的为15个最大值中的最大值，因此不需要E-0，直接将D-0的输出作为F-0的输入，如附图6中所示。
当前采样的写入位置为新采样写指针寄存器FN的输出，当前采样连接到寄存器组A中所有寄存器的输入端口，寄存器组A中的各个寄存器都有使能端口。将新采样写指针寄存器FN的输出送入4-16译码器G，由G生成寄存器组A中各个寄存器的使能。地址译码器G的输出位宽为16，其输出信号分别为G15，G14，...，G1，G0，。当4-16译码器的输入取值为s时，其输出Gs为有效，其他输出为无效，s＝0，1，...15，Gs连接到A-s的使能端口，这样当前采样就只可以写入FN所指示的寄存器中。
通过上面的操作，经过1000个时钟以后，就可以将15个最大值挑选出来，这些值保存于寄存器组A中，他们在寄存器组A中的存储位置保存于15个极值指针寄存器中，极值指针寄存器F-0对应最大值，指针存器F-1对应次大值，......，指针存器F-14对应15个最大值中的最小值。
利用图6中的装置查找最大值的过程，包括下列步骤：
步骤1、根据要查找最大值的个数15，可确定A和B的深度为16，C、D、F的深度为15，E的深度为14，C的宽度为1，D、E、EN、F、FN的宽度为4；
步骤2、根据待查找的数据源的个数1000，确定电路的运行时间为1000个时钟，
步骤3、根据查找类型，即，要查找最大值选择比较器的输出类型；
步骤4、将寄存器组A全部复位为0，将极值指针寄存器组F和新采样写指针寄存器FN复位为1，2，......，15，0；
步骤5、每个时钟向本发明的电路输入一个数据(采样)；
步骤6、经过1000个时钟后停止本电路，此时15个最大值保存于寄存器组A中，极值指针寄存器组F内保存的是这些极值的大小顺序。
Claims (5)
1、一种实现数据排序的硬件电路，其特征在于，包括：
一组寄存器(A)，一组比较器(B)，一组n+1选1的多路选择器(C)，一组2选1的多路选择器(D)，一组2选1的多路选择器(E)，一组极值指针寄存器(F)，一个2选1的多路选择器(EN)，一个当前采样(新采样)写指针寄存器(FN)，一个地址译码器(G)；输入数据连接到寄存器组(A)和比较器组(B)，输出为寄存器组(A)和极值指针寄存器组(F)的输出；
所述地址译码器(G)的输出连接到寄存器组(A)的输入使能端；寄存器组(A)的输出作为比较器组(B)的输入；比较器组(B)的输出作为多路选择器组(C)的输入，极值指针寄存器组(F)作为多路选择器组(C)的控制端；多路选择器组(C)的输出作为多路选择器组(D)的控制端，新采样写指针寄存器(FN)和极值指针寄存器组(F)作为多路选择器组(D)的输入端；多路选择器组(C)的输出作为多路选择器组(E)的控制端，多路选择器组(D)的输出和极值指针寄存器组(F)作为多路选择器组(E)的输入端；多路选择器组(E)的输出作为极值指针寄存器组(F)的输入端；多路选择器组(C)的输出作为多路选择器(EN)的控制端，新采样写指针寄存器(FN)和极值指针寄存器组(F)作为多路选择器(EN)的输入端；多路选择器(EN)的输出作为新采样写指针寄存器(FN)的输入端，新采样写指针寄存器(FN)作为地址译码器(G)的输入端。
2、如权利要求1所述的实现数据排序的硬件电路，其特征在于：
所述寄存器(A)中有额外一个空间来存放当前的采样输入，其存储位置由新采样写指针寄存器(FN)指定。
3、一种上述硬件电路实现数据排序的方法，其特征在于：
步骤1、根据要查找值个数n，确定寄存器组(A)，比较器组(B)，n+1选1的多路选择器组(C)，2选1的多路选择器组(D)和(E)，极值指针寄存器组(F)的深度，以及两组2选1的多路选择器组、极值指针寄存器组(F)、2选1的多路选择器(EN)和当前采样写指针寄存器(FN)的宽度；
步骤2、选择待查找的数据源的个数m，以确定电路的运行时间为m个时钟；
步骤3、根据查找数值类型，选择比较器的输出类型；
步骤4、复位寄存器组、极值指针寄存器组和新采样写指针寄存器；
步骤5、每个时钟向电路输入一个数据；
步骤6、经过m个时钟后停止本电路，此时寄存器组中保存的即为n个极值，极值指针寄存器组内保存的是这些极值的大小顺序。
4、如权利要求3所述的实现数据排序的方法，其特征在于，所述步骤1中：
寄存器组(A)和比较器组(B)深度为n+1；
n+1选1的多路选择器组(C)，2选1的多路选择器组(D)，极值指针寄存器组(F)的深度为n；
2选1多路选择器(E)的深度为n-1；
n+1选1的多路选择器组(C)的宽度为1；
2选1的多路选择器组(D)和(E)，极值指针寄存器组(F)，2选1的多路选择器(EN)和当前采样写指针寄存器(FN)的宽度为大于或等于log2(n+1)的最小整数。
5、如权利要求3或4所述的实现数据排序的方法，其特征在于，所述步骤4中：
极值指针寄存器组(F)和当前采样写指针寄存器(FN)要分别复位，且复位后的值各不相同；查找最大值时，寄存器组(A)全部复位为其最小值，否则寄存器组(A)全部复位为其最大值。
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