基于FPGA的實時無損數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對某些特殊的測試實驗，既要求測試系統(tǒng)微體積、低功耗，還要求記錄大量數(shù)據(jù)的問題，提出基于FPGA的數(shù)據(jù)壓縮解決方案。介紹了LZW壓縮算法的基本理論及其用FPGA硬件實現(xiàn)的方法。大量的實驗表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，壓縮速度快(8 MB／s以上)，對實測數(shù)據(jù)的壓縮效果好(25％左右)、工作時電流小(37 mA)，實現(xiàn)了速度、性能、功耗三者的統(tǒng)一。
關(guān)鍵詞：FPGA；數(shù)據(jù)壓縮；LZW算法

引言
    在工業(yè)生產(chǎn)和科研中，通常要對信號進(jìn)行長時間高速采樣，會產(chǎn)生大量采樣數(shù)據(jù)。在一些特殊環(huán)境下，受體積和功耗的限制，不能添加過多存儲器，需要引入數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來解決。軟件壓縮算法的運算量較大，需要很高的CPU運算速度和數(shù)據(jù)緩存空間，所以軟件壓縮一般應(yīng)用
在對時間要求不高的非實時壓縮場合。而對運行速度有特殊要求的情況下，對數(shù)據(jù)的實時壓縮一般都要用硬件實現(xiàn)。有損壓縮之后數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，與原來的數(shù)據(jù)有所不同。多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)因被測對象的不確定性，需要采用無損數(shù)據(jù)壓縮。由于LZW無損壓縮算法具有自適應(yīng)特性，在對信號統(tǒng)計特性不明確的情況下仍然有較好的壓縮效果。結(jié)合FPGA的高集成度、低功耗、靈活性及并行運算的特性，該設(shè)計用FPGA硬件實現(xiàn)LZW算法，以提高系統(tǒng)的實時壓縮能力。

1 LZW算法簡介
    LZW算法是一種基于字典的壓縮算法，由Lemple、Ziv、Welch三人共同創(chuàng)造。該算法在數(shù)據(jù)的壓縮過程中會根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動態(tài)地建立一個字典，后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)都會在這個字典中匹配查找，根據(jù)查找是否成功決定壓縮編碼的輸出。該算法的巧妙之處在于，壓縮過程中動態(tài)建立的字典不需要與壓縮數(shù)據(jù)流一道進(jìn)行傳輸和存儲。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓時，也能夠通過壓縮數(shù)據(jù)流重新建立一個字典，來完成解壓縮。算法粗略的描述如下：
   
   
    算法首先進(jìn)行字典的初始化。然后輸入第一個字符數(shù)據(jù)賦給變量String(S)。數(shù)據(jù)逐個輸入壓縮器中，并賦給變量Character(C)。s和C生成一個索引，與字典中的詞條數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配：如果匹配成功，將S和C的編碼值賦給S，繼續(xù)進(jìn)行下一輪的匹配；如果匹配失敗，則將S輸出，將S和C的編碼值存入字典，并且將C的值賦給S，這一過程一直進(jìn)行直到結(jié)束。最后輸出S，輸出結(jié)束標(biāo)志。
    由算法描述可見，LZW算法過程并不是很復(fù)雜，能夠得到較快的壓縮速度。并且其在對數(shù)據(jù)特征并不了解情況下，也能有較好的壓縮效果。同時，其對應(yīng)的解壓縮算法也不復(fù)雜，解壓速度也優(yōu)于其他一些算法。

2 LZW算法的FPGA實現(xiàn)
    CycloneII是Altera公司推出的新一代低成本系列FPGA器件，選用CycloneII系列的EP2C5T14418芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。這款芯片有4 608個邏輯單元、26塊M4K RAM塊、13個嵌入式乘法器、2個鎖相環(huán)，用戶I／O引腳數(shù)目為89，完全能夠滿足設(shè)計對存儲器容量以及邏輯功能的要求，并且有一定余量，便于功能擴(kuò)展。設(shè)計采用Quartus II為FPGA器件軟件開發(fā)平臺，用VHDL+原理圖的混合輸入方式進(jìn)行層次化描述。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后存儲到外部存儲器，再讀入計算機(jī)，用專用軟件對壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓還原，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理。

    整個設(shè)計的核心是壓縮算法的實現(xiàn)。FPGA設(shè)計過程中模塊劃分非常重要，好的模塊劃分能夠大大減少邏輯所消耗的面積并優(yōu)化功能的時序關(guān)鍵路徑。具體到LZW算法的FPGA實現(xiàn)，劃分了10個大模塊，各個模塊相互之間的連接如圖2所示。圖中名字相同的箭頭，表示是連接在一起的。為了使框圖看起來比較清晰，圖中省略了一些控制信號的連接。狀態(tài)機(jī)控制模塊(M5)是整個壓縮模塊的時序控制中心，根據(jù)其他模塊反饋給它的信號，判斷壓縮的運行狀態(tài)，從而控制其他各個模塊的運行。

    用FPGA實現(xiàn)LZW算法要解決以下幾個問題：
    ①壓縮過程中字典的緩存問題。因為所有數(shù)據(jù)處理和傳輸工作都是由FPGA完成，且考慮到實時壓縮速度，字典的緩存使用FPGA內(nèi)部的RAM資源。
    ②字典的建立與更新問題。字典的建立使用FPGA片內(nèi)資源來完成，大容量字典雖然會提高壓縮比，但必須考慮到FPGA內(nèi)部的資源量。因此選用9位的定長編碼方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
    ③壓縮后輸出數(shù)據(jù)流傳輸和存儲問題。由于壓縮后是9位的數(shù)據(jù)流，不利于數(shù)據(jù)的存儲，因此將9位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)據(jù)流進(jìn)行傳輸和存儲。
3 系統(tǒng)測試及性能分析
    首先測試LZW算法模塊能否正確無誤地壓縮數(shù)據(jù)。先由上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給FPGA，F(xiàn)PGA壓縮數(shù)據(jù)并寫入SRAM存儲器。壓縮結(jié)束后，上位機(jī)讀取SRAM中的數(shù)據(jù)并存為一個文件，最后再將這個文件與用軟件壓縮的結(jié)果作比較，來判斷結(jié)果正確與否。圖3是壓縮原文件和解壓后文件以十六進(jìn)制形式對比后的結(jié)果，從圖中下方框中的信息可知，兩個文件的大小都是248 714字節(jié)，0字節(jié)差異，完全匹配。為了提高測試的全面性，避免出現(xiàn)因為偶然而造成的個別功能死角沒被測到，利用格式各異的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了大量的壓縮結(jié)果對比實驗，最終實驗結(jié)果表明軟硬件壓縮的結(jié)果是一致的，并且解壓后與源文件也是一樣的，說明LZW數(shù)據(jù)壓縮模塊實現(xiàn)了功能上的要求。

    然后對壓縮模塊的壓縮率進(jìn)行測試。整個設(shè)計最初的定位是應(yīng)用于微體積、微功耗的測試系統(tǒng)中，現(xiàn)選取了實驗室里一些實測數(shù)據(jù)(圖4～6)，對其分別用LZW與WinRAR進(jìn)行壓縮實驗。WinRAR是一種商業(yè)的無損壓縮軟件，使用的是混合壓縮算法，可根據(jù)需要向計算機(jī)申請內(nèi)存作為哈希字典，字典大小可達(dá)4 MB。壓縮后的最終結(jié)果如表1所列。表中的壓縮率是按壓縮后的數(shù)據(jù)量除以壓縮前的數(shù)據(jù)量計算的，壓縮率數(shù)值越小表明壓縮效果越好。

    從表中可以粗略看出以下兩點：
    ①同一壓縮算法對同一類數(shù)據(jù)壓縮效果相差不多，但同一壓縮算法對不同類的數(shù)據(jù)壓縮效果相差較大。
    ②LZW壓縮算法的壓縮性能低于商業(yè)軟件WinRAR，并且這種壓縮性能對不同類的數(shù)據(jù)的表現(xiàn)也不盡相同。
    從上表可以看出，所設(shè)計的算法對某些類型的數(shù)據(jù)的壓縮效果還是非常顯著的。雖然從壓縮率上來說，LZW不如WinRAR出色，這是由于LZW算法要比使用混合算法的winRAR簡單，同時還受到在FPGA器件中構(gòu)造的哈希字典容量大小的限制。但LZW的優(yōu)點也在于其算法簡單，在對同一數(shù)據(jù)文件進(jìn)行壓縮時，速度上LZW比WinRAR要勝出一籌，這個速度特性在實時壓縮時尤為重要。

結(jié)語
    介紹了一種用FPGA實現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。通過大量測試驗證，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正確無誤地工作，壓縮時的最大數(shù)據(jù)吞吐量在8 MB／s以上，對實測數(shù)據(jù)壓縮率最高可達(dá)13．70％，壓縮效果顯著，大大減少了對存儲空間的要求，實現(xiàn)了壓縮性能與壓縮速度的統(tǒng)一。同時，當(dāng)FPGA工作在主頻為24 MHz，A／D采樣頻率在1 Msps時，整個電路的供電電流只有37 mA，滿足了測試系統(tǒng)低功耗的要求。若用外部RAM存儲器實現(xiàn)LZW字典，將能大幅度地擴(kuò)大字典容量，顯著改善數(shù)據(jù)的壓縮效果。