字符串模式匹配硬件加速的研究

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1、摘要隨著網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)的高速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)檢索、路由查找、信息安全等許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ址Ｊ狡ヅ溆兄絹碓诫x的速度需求。因此，近年來，人們集中研究如何以快速、高效的方式進行字符串模式匹配。隨著硬件工藝水平的提高和FPGA技術(shù)的發(fā)展，用硬件的并行結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)字符串模式匹配處理的研究大量涌現(xiàn)。當(dāng)然，不同的研究和設(shè)計方案，在速度、面積、成本、靈活性等方面都有很大的差別，在實際應(yīng)用中，這些方案揚長避短，在某些虛用領(lǐng)域中麓發(fā)揮關(guān)鍵的作用。本文提出設(shè)計專用處理器的方案，來達(dá)到字符串模式匹配加速的目的。專用處理器是一種新型的

2、具有處理器結(jié)構(gòu)和可編程能力的芯片，它為某個或某一類的應(yīng)用焉專門定制。通過權(quán)衡速度、面積、成本和靈活性的設(shè)計約束，專用處理器往往能夠達(dá)到更好的平衡點，從而適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)的需要。因而專用處理器在嵌入式領(lǐng)域中具有良好的應(yīng)用背景。專用處理器的設(shè)計需要面對具體的應(yīng)用定制最優(yōu)的體系結(jié)構(gòu)，其設(shè)計過程往往是從局部展開，基于應(yīng)用分析和需求分櫥，提取其中的處理規(guī)德和特點，并針對這些規(guī)律和特點展開設(shè)計。另外，專用處理器的設(shè)計要具有一定的完整性，包括配套的編譯器(綜合器)，便于工程師在嵌入式領(lǐng)域中的開發(fā)和接受。·本文具體研究內(nèi)容

3、如下：1)分析正則式和巴克疑范式的語法特點。正則式和巴克斯范式都是用來描述字符串模式規(guī)則的文法。正則式是用途最廣泛的一種字符串模式描述工具，語法簡單高效。增強型巴克斯范式(Augmen：ted騫acl【ll婢嘻aw＆珊，，鯧套涿)是裝譬C2234里藹定義的一個字符串模式匹配的文法定義，語法更豐富，擅長描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的結(jié)構(gòu)和規(guī)則。本文首先分析正則式和巴克斯范式的語法特點以及它們描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)和規(guī)則的規(guī)律，以便定義指令系統(tǒng)和硬件加遴模塊的功能。2>定義字符串模式匹配專用處理器的指令集。．根據(jù)正則式和巴克斯范式

4、的特點，定義并設(shè)計了一套指令集，包括基本指令集和專用指令集?；局噶罴ＷC專用處理器具有基本的通用處理能力；專用指令集是針對模式規(guī)則的文法特點而設(shè)計的一套高級語言指令集，擅長描述字符串第1頁揍要模式規(guī)則，能夠更加篾潔地表達(dá)模式規(guī)則的關(guān)系操作，使得字符串模式匹配算法僅需少量的代碼即可描述，并鼠方便使用。3)研究字符串模式匹配處理器的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計私存褚器管理方案。通用處理器上的字符零模式匹配代碼中，比較、劌斷、循環(huán)和分支指令占有非常大的比重，指令相關(guān)性較強。這種算法的特點要求處理器頻繁地訪問不連續(xù)的存儲空間，

5、導(dǎo)致流水線中斷、Cache命中率底下等問題，致使基于多級流水線的處理器性毹難以發(fā)揮。在專用處理器的體系結(jié)褥的定割主，要想取褥較大鯰擻速紇，就需要針對這類闖題和這些特點進行解決。秀了進一步提高指令級的并行能力，面向字符串模式匹配的多核處理器的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計也是本文的研究內(nèi)容。無論是單核處理器還是多核處理器，算法的特點都會導(dǎo)致處理器頻繁訪闖存儲器，因此，合適的存儲器管理方案也是關(guān)鍵煎研究內(nèi)容之一?！荼疚脑O(shè)計的單核專用處理器和雙孩專用處理器在即￡後上褥到驗證，并進行了功能測試和性能測試，測試結(jié)果表明該專用處理器在

6、功能上滿足實際應(yīng)用的需要，在性能上可以有效地提高字符串模式匹配的處理速度和效率。本文酌主要怠《薪點在于：1)提出設(shè)計專用處理器的方案，遴過針對模式規(guī)則的語法特點設(shè)計專用指令，得以提高字符串模式匹配的速度，同時又可以兼顧通用性和靈活性。2)通過專用處理器的設(shè)計流程，本文講述了如何從應(yīng)用需求出發(fā)，通過對功能的描述襄對傳統(tǒng)方案豹分析，定制一靜藤恕照用的專翔處理器，并進一步挖掘指令級豹并行能力的設(shè)計方法。3)字符串模式匹配算法加速的最大難點是克服處理器在處理數(shù)據(jù)過程中頻繁訪問不連續(xù)的存儲空間，本文在研究專用處理器

7、的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計了一些特殊鮑功能單元來提高處理器酌訪存效率，這些模塊約功畿幫結(jié)梅會失從事該領(lǐng)域研究工終的人員帶來一定的幫助和啟發(fā)。關(guān)鍵詞：字符審模式匹配、專用處理器、增強巴克斯范式、指令集、體系結(jié)構(gòu)、FPGA第1I頁ABSTRACTWi氌tk文rvelo跚。越ofl蹴豫或整磚l玨觸a鼉主濰耄ech∞logy，量弧ls畦拄gpa魅e難ma_tchingisessentialt0implementingne似ork∞ntentdetectio塢IPaddresslookupinromers，IIlt

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