吳朝暉
（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000 )
摘要：基于FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)能夠檢測出重疊匹配串的序列檢測器。首先從KMP字符串模式匹配算法出發(fā)，推導(dǎo)出next函數(shù)值與序列檢測器狀態(tài)之間的關(guān)系，并針對匹配串重疊的情況進(jìn)行修改，得到有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，最后用VHDL語言描述并仿真驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：KMP模式匹配算法；序列檢測器；FPGA；VHDL
0引言
序列檢測器是將一個(gè)指定的序列從數(shù)字流中檢測出來，在通信系統(tǒng)中是常用的電路［1］，有傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，也有基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的EDA設(shè)計(jì)方法。EDA設(shè)計(jì)方法是以硬件描述語言為主，它可優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，具有在系統(tǒng)編程的特點(diǎn)。序列檢測器可用移位寄存器實(shí)現(xiàn)，也可以有限狀態(tài)機(jī)（FSM）來實(shí)現(xiàn)。用硬件描述語言（如VHDL）設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)機(jī)具有相對固定的語句和程序表達(dá)方式，電路構(gòu)建簡單，運(yùn)行速度快，還可使用各種容錯(cuò)技術(shù)保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠。
設(shè)計(jì)序列檢測器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖是設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)的主要任務(wù)，本文采用KMP字符串模式匹配算法來設(shè)計(jì)序列檢測器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，并且很容易實(shí)現(xiàn)一些特殊要求的序列檢測器，比如能夠檢測出匹配串重疊的序列檢測器。
1KMP串模式匹配算法
KMP串的模式匹配算法是由KNUTH D E與PRATT V R和MORRIS J H同時(shí)發(fā)現(xiàn)的，此算法可以在O(n+m)的時(shí)間復(fù)雜度完成串的模式匹配操作。本文首先討論此算法的一般情況［2］。
假設(shè)主串為 S1S2…Sn ，模式串為P1P2…Pm［3］。經(jīng)典的BF匹配算法的思想是將主串S的第1個(gè)字符與模式串P的第1個(gè)字符匹配，若相等，則繼續(xù)比較S的第2個(gè)字符和P的第2個(gè)字符；若不相等，則回溯指針到S的第2個(gè)字符再重新與P的第1個(gè)字符進(jìn)行比較。以此類推，直到全部能夠匹配為止。但實(shí)際上在“失配”時(shí)，S和P前面部分的字符串已比較過，是相等的，這種已知信息說明不需要重新開始匹配。KMP算法在此作了改進(jìn)，即不回溯指針，此時(shí)當(dāng)主串中第i個(gè)字符與模式串的第j個(gè)字符失配時(shí)，主串中第i個(gè)字符應(yīng)重新與模式串中第next［j］個(gè)字符相比較。模式串的next函數(shù)的定義如式（1）所示［3］。
從定義可推導(dǎo)出求next［j］的算法，在有多個(gè)重復(fù)字符的情況下，還需進(jìn)一步修正。 修正之后求next［j］的C#實(shí)現(xiàn)代碼如下：
private static int［］ GetNextVal(string T)
{
int j = 1, k = 0;
int［］ nextVal = new int［T.Length］;
nextVal［0］ = 0;
while (j < T.Length - 1)
{
if(k == 0 || T［j］ == T［k］)
{
j++; k++;
if(T［j］!=T［k］)//修正時(shí)所加的代碼行
nextVal［j］=k;
else//修正時(shí)所加的代碼行
nextVal［j］ = nextVal［k］;//修正時(shí)所加的代碼行
}
else
k = nextVal［k］;
}
return nextVal;
}
由于C#字符串下標(biāo)是從0開始的，因此字符串的第0位不使用。假設(shè)模式串為“11010011”，則通過GetNextVal("B11010011")，計(jì)算出next的函數(shù)值，如表1所示。
2序列檢測器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
本文設(shè)計(jì)的序列檢測器能夠從連續(xù)接收到的一組串行二進(jìn)制序列中檢測出所需的二進(jìn)制序列（即模式串）“11010011”，雖是一串二進(jìn)制數(shù)，但可以看成字符串的特例。又假設(shè)待檢測的輸入的二進(jìn)制序列為 11101001101 001101001100000000000……。對于這樣的輸入串一般只會(huì)檢測出2個(gè)匹配串，即串中的陰影部分。但有時(shí)卻需要檢測出中間斜體部分的串（與其他匹配串重疊），即檢測出3個(gè)匹配串，本文設(shè)計(jì)的就是這種特殊的序列檢測器。
設(shè)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖之前，先定義狀態(tài)。當(dāng)輸入串的數(shù)位與模式串沒有匹配時(shí)狀態(tài)設(shè)為S0態(tài)，匹配了1個(gè)數(shù)位時(shí)設(shè)為S1態(tài)，連續(xù)匹配了n個(gè)數(shù)位時(shí)設(shè)為Sn態(tài)。 如果進(jìn)入S8態(tài)，模式串就檢測到了。因此可定義S0、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8共9種狀態(tài)。
初始時(shí)S0態(tài)，當(dāng)輸入串到來時(shí)，按次序一位一位地檢測是否與模式串匹配。如果輸入串的第1個(gè)數(shù)位與模式串的第1數(shù)位(j=1) 匹配，則進(jìn)入S1次態(tài)。如果不匹配，就重新與模式串中第next［j］個(gè)數(shù)位相比較，因?yàn)榇藭r(shí)next［j］=next［1］=0，比較結(jié)果會(huì)進(jìn)入S0次態(tài)。 依此類推，當(dāng)j=3時(shí)，說明比較前已匹配兩個(gè)數(shù)位，初態(tài)S2態(tài)，如果現(xiàn)在輸入是“0”， 與該位（“0”）匹配，則進(jìn)入S3次態(tài)；如果輸入的是“1”，則與該位不匹配，因?yàn)榇藭r(shí)next［3］=2，所以重新與模式串的第2位比較，此時(shí)結(jié)果一定相等（原因是KMP算法已修正，而二進(jìn)制值只有0和1），所以進(jìn)入S2次態(tài)。由此可得表2。
結(jié)論：初態(tài)為Sj-1態(tài)時(shí)，輸入序列的數(shù)位與當(dāng)前模式串的j位比較，如果匹配，進(jìn)入Sj態(tài)；如果不匹配，進(jìn)入Snext［j］態(tài)。然后再比較輸入序列的下一個(gè)數(shù)位，以此類推。
對于檢測非重疊匹配串，S8狀態(tài)與S0狀態(tài)等價(jià)。但對于需要檢測出重疊匹配串的情況，S8的次態(tài)分兩種情況：一是輸入串?dāng)?shù)位為‘1’， 可在模式串末尾加‘0’（與‘1’表2模式串“11010011”的next函數(shù)值與狀態(tài)的關(guān)系j12345678模式串11010011修正的next［j］00202100初態(tài)S0S1S2S3S4S5S6S7匹配時(shí)進(jìn)入次態(tài)S1S2S3S4S5S6S7S8不匹配時(shí)進(jìn)入次態(tài)S0S0S2S0S2S1S0S0不匹配），求末尾一位next值，就是次態(tài)的下標(biāo)； 二是輸入串?dāng)?shù)位為‘0’，可在模式串末尾加‘1’（與‘0’不匹配），求末尾一位next值，就是次態(tài)的下標(biāo)。例如本例： GetNextVal(“B110100111”) ，求出的next［9］=3，則表示輸入串的數(shù)位為‘0’時(shí)進(jìn)入S3次態(tài)。GetNextVal(“B110100110”) ，求出的next［9］=2，則表示輸入串的數(shù)位為‘1’時(shí)進(jìn)入S2次態(tài)。最后得到完全的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖1所示?！?/p>
3序列檢測器的VHDL描述
該狀態(tài)機(jī)屬于米勒型有限狀態(tài)機(jī)，它包含狀態(tài)說明部分、主控時(shí)序進(jìn)程、主控組合進(jìn)程和輔助進(jìn)程幾個(gè)部分，其中說明部分用文字符號定義各狀態(tài)元素［4］。設(shè)電路數(shù)據(jù)輸入信號為din，時(shí)鐘信號為clk，復(fù)位信號為rst，輸出信號為sout。電路VHDL實(shí)現(xiàn)代碼如下。
library ieee; use ieee.std_logic_1164.all;
entity xl is
port(din,rst,clk: in std_logic; sout: out std_logic);
end;
architecture bhv of xl is
type states is (s0,s1,s2,s3,s4,s5,s6,s7,s8);
signal st: states:=s0;
begin
process(clk,rst) begin
if rst='1' then st<=s0;
elsif clk'event and clk='1' then
case st is
when s0 => if din='1' then sout<='0'; st<= s1;
else sout<='0'; st<=s0; end if;
when s1 => if din='1' then sout<='0'; st<= s2; else sout<='0'; st<=s0; end if;
when s2 => if din='0' then sout<='0'; st<= s3; else sout<='0'; st<= s2; end if;
when s3 => if din='1' then sout<='0'; st<= s4; else sout<='0'; st<= s0; end if; 圖2序列檢測器仿真波形圖
when s4 => if din='0' then sout<='0'; st<= s5; else sout<='0'; st<= s2; end if;
when s5 => if din='0' then sout<='0'; st<= s6; else sout<='0'; st<= s1;end if;
when s6 => if din='1' then sout<='0'; st<= s7; else sout<='0'; st<= s0; end if;
when s7 => if din='1' then sout<='1'; st<= s8; else sout<='0'; st<= s0; end if;
--s8態(tài)
when s8 => if din='0' then sout<='0'; st<= s3; else sout<='0'; st<= s2; end if;
when others => sout<='0'; st<=s0;
end case;
end if;
end process;end;
電路仿真波形圖如圖2所示。由圖可見信號sout輸出3次高電平，說明檢測到3個(gè)模式串。
4結(jié)論
本文將KMP字符串模式匹配算法應(yīng)用到二進(jìn)制序列檢測器的有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)。由于采用修正的KMP算法，并且是特定的二進(jìn)制序列，因此只需一次比較就可知次態(tài)。如果將KMP算法也用VHDL描述，電路會(huì)更有通用性。
參考文獻(xiàn)
?。?］ 李瑞,孫顯龍,劉寶娟.基于FPGA和VHDL的序列檢測器設(shè)計(jì)［J］.微處理機(jī),2012,33(5)：46.
［2］ Hou Xianfeng, Yan Yubao, Xia Lu. Hybrid patternmatching algorithm based on BMKMP algorithm［J］. International Conference on Advanced Computer Theory & Engineering, 2010, 5(8):310313.
［3］ 嚴(yán)蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語言版)［M］.北京：清華大學(xué)出版社,2011.
?。?］ 潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)實(shí)用教程VHDL版(第五版)［M］.北京:科學(xué)出版社, 2013.