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基于NFA的正则表达式的可重构硬件实现的开题报告
1.研究背景与目的
正则表达式在计算机科学中应用广泛，主要用于字符串匹配、语言识别、模式匹配等方面。之前的正则表达式引擎大多基于DFA（确定性有限状态自动机）实现，但相比于NFA（不确定性有限状态自动机），DFA无法处理带有回溯的正则表达式，且复杂的正则表达式会产生大量的状态，导致DFA的存储和查找变得困难。
为了解决这些问题，人们开始研究基于NFA的正则表达式引擎。随着硬件技术的发展和FPGA的兴起，基于NFA的正则表达式可重构硬件也逐渐被研究和应用，其具有较高的灵活性和性能。因此本研究旨在设计一种基于NFA的正则表达式可重构硬件，以提高正则表达式的匹配速度和精度，提高系统的稳定性和可靠性。
2.研究现状及存在问题
目前，基于NFA的正则表达式引擎的研究已经有了较多的成果，包括软件实现和硬件实现。在软件实现方面，已经有多个开源的正则表达式引擎，例如PCRE、RE2等。在硬件实现方面，早期的研究主要集中在使用FPGA加速正则表达式引擎，例如在2004年，Inglis等人提出了一种基于NFA的正则表达式加速方案，使用FPGA实现，加速比约为50倍。随着技术的发展，基于NFA的正则表达式可重构硬件的研究逐渐兴起，例如在2018年，Li等人提出了一种基于单元格并行的VLSI实现方案，其有效率达到了每秒10亿个字符。
但是，目前基于NFA的正则表达式可重构硬件还存在许多问题，主要包括：
1）如何提高匹配速度和匹配精度。
2）如何优化硬件的电路设计和可重构性。
3）如何更好地支持正则表达式的扩展，例如支持Unicode、全角字符等。
4）如何在不同场景下进行优化，例如在网络安全中的应用和嵌入式系统中的应用等。
因此，本研究将解决上述问题，尝试设计出一种高效、稳定、可扩展的基于NFA的正则表达式可重构硬件，并且测试和验证该硬件在不同场景下的性能和可靠性。
3.研究内容与研究方法
本研究的具体研究内容包括：
1）NFA的正则表达式的设计与实现。
2）基于FPGA的硬件加速方案的设计与实现。
3）硬件电路设计与优化。
4）系统性能测试与分析。
为了实现上述研究内容，本研究将采取以下研究方法：
1）调研现有的正则表达式引擎，了解其中的优缺点和技术难点，提取相关技术并进行差异分析。
2）详细研究NFA的正则表达式的设计和实现，建立相应的理论模型。
3）使用Verilog语言设计基于FPGA的硬件加速方案，并结合高层次综合工具进行性能优化。
4）通过综合仿真和实际测试，评估硬件系统的性能和可靠性，并对其进行优化和改进。
4.预期研究成果
本研究的预期成果包括：
1）一种高效、稳定、可扩展的基于NFA的正则表达式可重构硬件。
2）硬件电路设计和优化方案。
3）性能测试和分析报告并讨论该硬件在不同场景下的应用。
4）相关论文和专利。
5.研究意义
本研究的意义在于：
1）提高正则表达式的匹配速度和匹配精度，提高系统稳定性和可靠性，增强系统的安全性和可扩展性。
2）为正则表达式算法的发展和应用提供硬件支持。
3）对于FPGA的应用也具有一定的推广价值和市场前景。
4）在网络安全领域、嵌入式系统中等多个领域展示了它的应用和重要性。