LZW改進壓縮算法的FPGA實現(xiàn)

0 引言
    隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，在電子設備監(jiān)控系統(tǒng)中，需要采集與處理的數(shù)據(jù)量也在急劇增加，從而數(shù)據(jù)壓縮技術得到廣泛應用。然而很多壓縮、解壓方案都是基于軟件實現(xiàn)，其致命的弱點就是過多地消耗寶貴的CPU資源，速度慢。基于FPGA實現(xiàn)的壓縮器因其速度快、處理能力強而獲得人們的重視?，F(xiàn)代FPGA的發(fā)展使得只用專用硬件的方式來實現(xiàn)壓縮、解壓成為可能，可以解決上述軟件實現(xiàn)方式所存在的缺點。但在通用數(shù)據(jù)的壓縮領域，基于FPGA的硬件壓縮、解壓方案還不多見，所以研究基于FPGA硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮技術具有很高的應用價值。
    當前數(shù)據(jù)壓縮技術分為有損壓縮和無損壓縮，算術編碼、游程編碼、霍夫曼和LZW壓縮是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮方法，屬于無損數(shù)據(jù)壓縮；而基于小波變換的數(shù)據(jù)壓縮和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的編碼方式是近年來新發(fā)展起來的現(xiàn)代數(shù)據(jù)壓縮方法，屬于有損數(shù)據(jù)壓縮。本研究主要探討一種基于LZW算法的數(shù)據(jù)無損壓縮硬件實現(xiàn)。

1 LZW算法及其改進算法
    LZW壓縮算法在壓縮的過程中自適應建立一個字典，以后的數(shù)據(jù)同字典中的數(shù)據(jù)相匹配，匹配上則輸出字典的索引。由于表示字典的索引所用的比特數(shù)遠小于字符的比特數(shù)，從而達到壓縮的效果。這個生成的字典不需要隨著壓縮的數(shù)據(jù)一同傳輸，而是能夠根據(jù)壓縮的數(shù)據(jù)在解壓時重新動態(tài)生成一模一樣的字典。
    LZW編碼原理如圖1所示，在進行壓縮時首先把字典中的前256(0～255)項初始為全部的256個8位字符，分別為十進制數(shù)0～255。當輸入第一個字符時，總是在字典中可以找到，直到新的字符X不在字典詞條中時，便將字符串IX加入到字典的第256項，以此類推。以字符串流5，6，7，8，9，5，5，6，6，7，8，9，5，…為例，表1給出了字典存儲的物理結構和壓縮過程中字典項的讀寫示意。壓縮后編碼輸出為5，6，7，8，9，5，256，257，259，…。

    傳統(tǒng)的LZW壓縮算法采用8位數(shù)據(jù)輸入，固定長度編碼輸出，隨著字典內容的不斷增多，輸出編碼的位數(shù)不斷增加勢必造成資源的浪費，也會損失壓縮率。另外，由于字典的容量有限，隨著壓縮過程的進行，字典會被填滿，若是簡單的不再向字典中增加內容，那么后面的壓縮率就會降低，而如果將字典全部清除重新建立字典，在字典建立初期壓縮率也是很低的。針對以上不足，文獻對LZW算法做以下改進：采用12位數(shù)據(jù)作為壓縮輸入，變長度的碼字輸出。
    壓縮字典最多可容納16 384個碼，共分為三部分，其中0～4 095為12位輸出，4 096～8 191為13位，8 192～16 383為14位。每當輸出長度變化時，同時輸出一個變長標識，便于解碼器解碼。

2 LZW算法FPGA實現(xiàn)
2．1 算法實現(xiàn)硬件結構
    LZW數(shù)據(jù)壓縮算法的FPGA硬件實現(xiàn)，其內部功能模塊劃分如圖2所示。

2．2 各功能模塊說明
    輸入／輸出數(shù)據(jù)緩存模塊完成FPGA所有數(shù)據(jù)傳輸工作，為了保證異步時鐘域數(shù)據(jù)同步，使用FPGA片內的Block RAM構成一個FIFO對輸入數(shù)據(jù)進行緩存。
    字典存儲器模塊需要存放字典項的三部分內容：字典項編碼、前綴碼、當前碼。將存儲器的容量設計為1K。采用FPGA內部宏單元lpm-ram-dp(單口RAM)設計字典存儲器。
    算法實現(xiàn)模塊要實現(xiàn)匹配串的查找、判斷字典相應地址內容是否為空、比較字典地址相應內容是否匹配或沖突、沖突時重新生成地址、壓縮編碼輸出控制、壓縮結束控制等功能。
    外接閃存數(shù)據(jù)寬度為8位，所以壓縮后輸出數(shù)據(jù)位數(shù)需要轉換。數(shù)據(jù)轉換模塊就是實現(xiàn)壓縮后數(shù)據(jù)由13位向8位的轉換。
    時鐘處理與控制模塊主要完成時鐘的匹配與控制，對各個功能模塊分配時鐘，并初始化各使能端信號。
2．3 仿真結果
    清空字典存儲器模塊，初始化信號，將可能出現(xiàn)的單字符存入字典，壓縮時新傳續(xù)存地址為4096，新字符串輸入時產(chǎn)生相應的哈希表地址與偏移量；然后讀字典存儲器相應地址的內容，如內容為空則輸出輸入的數(shù)據(jù)，并把相應內容存入字典，如內容匹配，則繼續(xù)輸入下一數(shù)據(jù)，否則(即發(fā)生沖突)產(chǎn)生新的哈希表地址，重新讀取字典，進行判斷、比較。仿真時序如圖3所示。

    仿真結果：輸入數(shù)據(jù)為5，6，7，8，9，5，6，7，8，9，5，6，7，…；輸出數(shù)據(jù)為5，6，7，8，9，4 098，4 100，4 102，…。仿真結果與理論計算值一致。

3 結 論
    LZW算法邏輯簡單，實現(xiàn)速度快，擅長于壓縮重復出現(xiàn)的字符串；無需事先統(tǒng)計各字符的出現(xiàn)概率，一次掃描即可；相對于其他算法，更有利于硬件實現(xiàn)。本文利用FPGA實現(xiàn)了改進的LZW壓縮算法，仿真證明其算法具有很高壓縮率，適合工程的實際應用。