专利名称：实现数据排序的电路和方法
技术领域：
本发明涉及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，rn》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lms 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 万的数量级，软件无法在如此短时间内实现如此多数据的査找排序。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种满足实时性比较高的场合的实现数据排 序的硬件电路和方法。
为达到上述目的，本发明一种实现数据排序的电路，包括
至少一寄存器(A)，至少一比较器(B)，至少一n选l的多路选择器(C)，至少一第一2 选l的多路选择器(D)，至少一第二2选1的多路选择器(E)，至少一极值指针寄存器(F), 一地址译码器(G)， 一与门阵列(H);
其中，所述寄存器(A)用于存储排序过程中当前的极值，寄存器(A)的输出和本电路 的数据输入作为比较器(B)的输入；
所述比较器(B)输出的比较结果作为n选l的多路选择器(C)的输入；
所述极值指针寄存器(F)用于记录当前极值所在寄存器(A)的存储位置及当前极值顺 序，并作为n选l的多路选择器(C)的控制端；
所述n选l的多路选择器(C)输出本电路输入的数据与当前极值比较的结果，作为第一 2选1多路选择器(D)的控制端，极值指针寄存器(F)作为第一2选1多路选择器(D)的 输入端
所述n选l的多路选择器(C)的输出作为第二2选1多路选择器(E)的控制端； 所述第一 2选1多路选择器(D)的输出和极值指针寄存器(F)作为第二 2选1多路选 择器(E)的输入；
所述第二2选1多路选择器(E)的输出作为极值指针寄存器(F)的输入； 所述极值指针寄存器(F)作为地址译码器(G)的输入端；
所述n选l的多路选择器(C)和地址译码器(G)的输出作为与门阵列(H)的输入； 所述与门阵列(H)的输出连接到寄存器(A)的输入使能端。
其中，本电路的数据输入连接到寄存器(A)和比较器(B)，将寄存器(A)和极值指针 寄存器(F)连接到输出。
其中，所述地址译码器(G)和与门阵列(H)组合为一个带使能端的地址译码器。 为达到上述目的，本发明一种基于权利要求1所述电路实现数据排序的方法，包括
(1) 根据要査找的极值个数n，确定寄存器组(A)、比较器组(B)、 n选l的多路选择 器组(C)、第一组2选1的多路选择器(D)和第二组多路选择器组(E)、极值指针寄存器组
(F)的深度，以及第一组2选1的多路选择器(D)和第二组多路选择器(E)、极值指针寄 存器组(F)的宽度；
(2) 根据数据源的个数m，确定电路的运行时间为m个时钟；
(3) 根据査找数值类型，选择比较器的输出类型；
(4) 复位寄存器组(A)、极值指针寄存器组(F);
(5) 向电路输入采样数据；
(6) 经过m个时钟后停止本电路。 其中，所述的步骤(1)中，
寄存器组(A)和比较器组(B)的深度为n; n选l的多路选择器组(C)，极值指针寄存器组(F)的深度为n; 第一组2选1的多路选择器(D)、第二组2选1的多路选择器(E)的深度为n-1; n选1的多路选择器组(C)中的每个选择器的输出位宽为1;
第一组2选1的多路选择器(D)和第二组2选1的多路选择器(E)、极值指针寄存器 (F)组中各单元的输出位宽为大于或等于log2 (n)的最小整数。
其中，所述的步骤(4)中，极值指针寄存器组(F)中的各寄存器要分别复位为不同的 值；査找最大值时，所述寄存器组(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。
其中，所述的步骤(5)具体为每一个时钟向本电路输入一个采样数据。 采用本发明所述的方法和装置，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lms，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。
图l为一个单链表的示意图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为本发明实现数据排序的电路结构框图； 图6为本发明实现数据排序的一个具体实施例； 图7为本发明实现数据排序方法的流程图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
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，需要査询一组指针，这组指针的内容为这些数据的存储位置。
图l为一个单链表的示意图，头指针为dO的存储位置，指针l为dl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。
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。
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。
图3为一个2选1的多路选择器，i0， il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i()，当s为l时，z的输出为il。
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il5， i14， U3，……，il， i0组成；s的位宽为4，取值范围为(Tl5。
当s的值为j时，z的输出为j，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， 一般的数字电路教材中都有论述，此处不 再赘述。
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。
如图5所示，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选l 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， 一个地址译码器G， 一个与门阵列H。
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。
与门阵列H的输出连接到寄存器组A的输入使能端；寄存器组A的输出和本电路的数据 输入作为比较器组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， 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；极值指针寄存器组F作为地址译 码器G的输入端；多路选择器组C和地址译码器G的输出作为与门阵列H的输入。
所述电路适用于从m个数据中找到n个最大或最小的数据，实现对最大或最小的数据进 行大小排序。
所述地址译码器和与门阵列可以组合为一个带使能端的地址译码器。 利用上述电路进行数据排序的方法，包括下列步骤-
步骤l、根据要査找最大值(或最小值)的个数n，确定本发明电路中寄存器A、比较器 B、 n选l的多路选择器C、 2选1的多路选择器D、 2选1的多路选择器E、极值指针寄存器 F的深度和2选1的多路选择器D、 2选1的多路选择器E、极值指针寄存器F的宽度；
A、 B、 C、 F的深度为n， D、 E的深度为n-1， C的宽度为l， D、 E、 F的宽度为大于或等
于1og2(n)的最小整数。
步骤2、选择待査找的数据源的个数m，以确定电路的运行时间为m个时钟。 步骤3、根据査找数值类型，即要査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;
F要分别复位为0， 1， 2，……，n-l，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、每个时钟周期向本电路输入一个数据(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。
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，否则原先的极值当中有一个将不再 是极值，此极值在A中的存储位置将变为当前采样在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、地址译码器G和 与门阵列H共同来实现。
下面以从1000个无符号数据中选择16个最大值为例，详细讲解本发明的电路。
査找最小值的原理与査找最大值的原理类同。
此电路的详细结构如附图6所示，16个极值指针寄存器记录了当前16个最大值在寄存器 组A中的存储位置，指针寄存器F-O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-14记录当前次小值的位置，指针寄存器F-15记录当前最小 值的位置。存储器A中虽然存储了 16个最大值，但并不是一定按大小顺序存储，其大小顺序 靠这里的16个极值指针寄存器来记录。
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16个最大值中的最小值大，则A和F不需要更新；如果当前采样比前
16个最大值中的任何一个大，则将当前釆样的数据写入原先16个最大值中最小值的位置，
并同时调整16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。
在系统复位后，将寄存器组A全部复位为0，并且将16个指针寄存器F复位，这里将指 针寄存器F-0复位为15，指针寄存器F-1复位为14，指针寄存器F-2复位为13，……，指 针寄存器F-14复位为1，指针寄存器F-15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， si,…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:0，…15，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16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-15 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)。
16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，—0,…，15，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15对应当前16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16个最大值中的最小值大，则寄存器组A和极值指 针寄存器组F保持不变；如果当前采样比寄存器组A中当前16个最大值中的任何一个大，则 将当前采样写入原先16个最大值中最小值的位置，即极值指针寄存器F-15的值。
对于16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替换为指针寄存器F-15的内容；如果当前采样比指针寄存 器F-i-l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-l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，F-15和F-i做为D-i的输入，C-i为1时D-i的输出为F-15,否则输
出为F-i;将第i-l个最大值与当前采样的比较结果C-i-l作为多路选择器E-i的选择控制
端，D-i和F-i-l做为E-i的输入，C-i-1为1时E-i的输出为F-i-l，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-O，直接
将D-O的输出作为F-0的输入，如附图6中所示。
对于E-15来讲，由于D-15的两个输入端都为F-15，所以可以不使用D-15，直接将F-15
和F-14作为E-15的输入，如附图6中所示。
当前采样的写入位置为极值指针寄存器F-15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。将极值指针寄存器F-15的输 出送入4-16译码器G，由G和与门阵列H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，^0，1,…15。当前采样是否要写入寄存器组A中， 还需要根据C-15来判断。与门阵列H将G的输出G15, G14,…，Gl, GO分别与C-15进行相与， 得到H15，H14，…，H1,H0， Hs连接到A-s的使能端口。这样可以根据当前采样是否为新的极 值来控制当前采样是否可以写入到寄存器组A中。
通过上面的操作，经过1000个时钟以后，就可以将16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-l对应次大值，……，指针存器F-15对应16个最大值 中的最小值。
利用图6中的装置査找最大值的过程，包括下列步骤
步骤1、根据要査找最大值的个数16，可确定A、 B、 C、 F的深度为16， D、 E的深度为 15， C的宽度为l， D、 E、 F的宽度为4;
步骤2、根据待査找的数据源的个数1000，确定电路的运行时间为1000个时钟，
步骤3、根据査找类型，S卩，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O，将极值指针寄存器组F分别复位为0， 1， 2，……，
15;
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16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。
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lms，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。
权利要求
1、一种实现数据排序的电路，包括至少一寄存器(A)，至少一比较器(B)，至少一n选1的多路选择器(C)，至少一第一2选1的多路选择器(D)，至少一第二2选1的多路选择器(E)，至少一极值指针寄存器(F)，一地址译码器(G)，一与门阵列(H)；其中，所述寄存器(A)用于存储排序过程中当前的极值，寄存器(A)的输出和本电路的数据输入作为比较器(B)的输入；所述比较器(B)输出的比较结果作为n选1的多路选择器(C)的输入；所述极值指针寄存器(F)用于记录当前极值所在寄存器(A)的存储位置及当前极值顺序，并作为n选1的多路选择器(C)的控制端；所述n选1的多路选择器(C)输出本电路输入的数据与当前极值比较的结果，作为第一2选1多路选择器(D)的控制端，极值指针寄存器(F)作为第一2选1多路选择器(D)的输入端；所述n选1的多路选择器(C)的输出作为第二2选1多路选择器(E)的控制端；所述第一2选1多路选择器(D)的输出和极值指针寄存器(F)作为第二2选1多路选择器(E)的输入；所述第二2选1多路选择器(E)的输出作为极值指针寄存器(F)的输入；所述极值指针寄存器(F)作为地址译码器(G)的输入端；所述n选1的多路选择器(C)和地址译码器(G)的输出作为与门阵列(H)的输入；所述与门阵列(H)的输出连接到寄存器(A)的输入使能端。
2、 根据权利要求1所述的实现数据排序的电路，其特征在于，本电路的数据输入连接 到寄存器(A)和比较器(B)，将寄存器(A)和极值指针寄存器(F)连接到输出。
3、 根据权利要求l所述的实现数据排序的电路，其特征在于，所述地址译码器(G)和 与门阵列(H)组合为一个带使能端的地址译码器。
4、 一种基于权利要求1所述电路实现数据排序的方法，包括(1) 根据要査找的极值个数n，确定寄存器组(A)、比较器组(B)、 n选l的多路选择 器组(C)、第一组2选1的多路选择器(D)和第二组多路选择器组(E)、极值指针寄存器组(F)的深度，以及第一组2选1的多路选择器(D)和第二组多路选择器(E)、极值指针寄存器组(F)的宽度；(2) 根据数据源的个数m，确定电路的运行时间为m个时钟；(3) 根据査找数值类型，选择比较器(B)的输出类型；(4) 复位寄存器组(A)、极值指针寄存器组(F);(5) 向电路输入采样数据；(6) 经过m个时钟后停止本电路。
5、 根据权利要求4所述的实现数据排序的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中， 寄存器组(A)和比较器组(B)的深度为n;n选l的多路选择器组(C)，极值指针寄存器组(F)的深度为n; 第一组2选1的多路选择器(D)、第二组2选1的多路选择器(E)的深度为n-l; n选l的多路选择器组(C)中的每个选择器的输出位宽为1;第一组2选1的多路选择器(D)和第二组2选1的多路选择器(E)、极值指针寄存器 (F)组中各单元的输出位宽为大于或等于kg2 (n)的最小整数。
6、 根据权利要求5所述的实现数据排序的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，极 值指针寄存器组(F)中的各寄存器要分别复位为不同的值；査找最大值时，所述寄存器组(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。
7、 根据权利要求4所述的实现数据排序的方法，其特征在于，所述的步骤(5)具体为 每一个时钟向本电路输入一个采样数据。
全文摘要
本发明公开一种实现数据排序的电路和方法，为解决现有软件排序时间长，不满足实时性要求问题而发明。本发明的电路和方法根据要查找的极值个数n，确定寄存器组、比较器组、n选1的多路选择器组、第一组2选1的多路选择器和第二组多路选择器、极值指针寄存器的深度，及第一组2选1多路选择器和第二组多路选择器、极值指针寄存器组的宽度；根据数据源的个数m，确定电路的运行时间为m个时钟；根据查找数值类型，选择比较器的输出类型；复位寄存器组、极值指针寄存器组；每个时钟周期向电路输入一个采样数据；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。本发明电路和方法，电路实时处理性强，排序时间成倍减少。
文档编号G06F5/06GK101114215SQ200610099538
公开日2008年1月30日 申请日期2006年7月28日 优先权日2006年7月28日
发明者温子瑜 申请人:中兴通讯股份有限公司