0 引言
隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，在電子設(shè)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(shù)得到廣泛應(yīng)用。然而很多壓縮、解壓方案都是基于軟件實(shí)現(xiàn)，其致命的弱點(diǎn)就是過多地消耗寶貴的CPU資源，速度慢?；?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/FPGA" title="FPGA" target="_blank">FPGA實(shí)現(xiàn)的壓縮器因其速度快、處理能力強(qiáng)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(shí)現(xiàn)壓縮、解壓成為可能，可以解決上述軟件實(shí)現(xiàn)方式所存在的缺點(diǎn)。但在通用數(shù)據(jù)的壓縮領(lǐng)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(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
當(dāng)前數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)分為有損壓縮和無損壓縮，算術(shù)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(luò)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(shí)現(xiàn)。
1 LZW算法及其改進(jìn)算法
LZW壓縮算法在壓縮的過程中自適應(yīng)建立一個(gè)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?cái)?shù)遠(yuǎn)小于字符的比特?cái)?shù)，從而達(dá)到壓縮的效果。這個(gè)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(shí)重新動(dòng)態(tài)生成一模一樣的字典。
LZW編碼原理如圖1所示，在進(jìn)行壓縮時(shí)首先把字典中的前256(0～255)項(xiàng)初始為全部的256個(gè)8位字符，分別為十進(jìn)制數(shù)0～255。當(dāng)輸入第一個(gè)字符時(shí)，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(shí)，便將字符串IX加入到字典的第256項(xiàng)，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(chǔ)的物理結(jié)構(gòu)和壓縮過程中字典項(xiàng)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(nèi)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(fèi)，也會(huì)損失壓縮率。另外，由于字典的容量有限，隨著壓縮過程的進(jìn)行，字典會(huì)被填滿，若是簡單的不再向字典中增加內(nèi)容，那么后面的壓縮率就會(huì)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(duì)以上不足，文獻(xiàn)對(duì)LZW算法做以下改進(jìn)：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(gè)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(dāng)輸出長度變化時(shí)，同時(shí)輸出一個(gè)變長標(biāo)識(shí)，便于解碼器解碼。
2 LZW算法FPGA實(shí)現(xiàn)
2．1 算法實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)
LZW數(shù)據(jù)壓縮算法的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)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(shí)鐘域數(shù)據(jù)同步，使用FPGA片內(nèi)的Block RAM構(gòu)成一個(gè)FIFO對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。
字典存儲(chǔ)器模塊需要存放字典項(xiàng)的三部分內(nèi)容：字典項(xiàng)編碼、前綴碼、當(dāng)前碼。將存儲(chǔ)器的容量設(shè)計(jì)為1K。采用FPGA內(nèi)部宏單元lpm-ram-dp(單口RAM)設(shè)計(jì)字典存儲(chǔ)器。
算法實(shí)現(xiàn)模塊要實(shí)現(xiàn)匹配串的查找、判斷字典相應(yīng)地址內(nèi)容是否為空、比較字典地址相應(yīng)內(nèi)容是否匹配或沖突、沖突時(shí)重新生成地址、壓縮編碼輸出控制、壓縮結(jié)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(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊就是實(shí)現(xiàn)壓縮后數(shù)據(jù)由13位向8位的轉(zhuǎn)換。
時(shí)鐘處理與控制模塊主要完成時(shí)鐘的匹配與控制，對(duì)各個(gè)功能模塊分配時(shí)鐘，并初始化各使能端信號(hào)。
2．3 仿真結(jié)果
清空字典存儲(chǔ)器模塊，初始化信號(hào)，將可能出現(xiàn)的單字符存入字典，壓縮時(shí)新傳續(xù)存地址為4096，新字符串輸入時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的哈希表地址與偏移量；然后讀字典存儲(chǔ)器相應(yīng)地址的內(nèi)容，如內(nèi)容為空則輸出輸入的數(shù)據(jù)，并把相應(yīng)內(nèi)容存入字典，如內(nèi)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(jìn)行判斷、比較。仿真時(shí)序如圖3所示。
仿真結(jié)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(jié)果與理論計(jì)算值一致。
3 結(jié) 論
LZW算法邏輯簡單，實(shí)現(xiàn)速度快，擅長于壓縮重復(fù)出現(xiàn)的字符串；無需事先統(tǒng)計(jì)各字符的出現(xiàn)概率，一次掃描即可；相對(duì)于其他算法，更有利于硬件實(shí)現(xiàn)。本文利用FPGA實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)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(shí)際應(yīng)用。