基于FPGA的實(shí)時(shí)無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)某些特殊的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，既要求測(cè)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(shí)現(xiàn)的方法。大量的實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，壓縮速度快(8 MB／s以上)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的壓縮效果好(25％左右)、工作時(shí)電流小(37 mA)，實(shí)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(duì)信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高速采樣，會(huì)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(chǔ)器，需要引入數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來(lái)解決。軟件壓縮算法的運(yùn)算量較大，需要很高的CPU運(yùn)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(duì)時(shí)間要求不高的非實(shí)時(shí)壓縮場(chǎng)合。而對(duì)運(yùn)行速度有特殊要求的情況下，對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮一般都要用硬件實(shí)現(xiàn)。有損壓縮之后數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，與原來(lái)的數(shù)據(jù)有所不同。多數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)因被測(cè)對(duì)象的不確定性，需要采用無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮。由于LZW無(wú)損壓縮算法具有自適應(yīng)特性，在對(duì)信號(hào)統(tǒng)計(jì)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(yùn)算的特性，該設(shè)計(jì)用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)LZW算法，以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)壓縮能力。

1 LZW算法簡(jiǎn)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(huì)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地建立一個(gè)字典，后續(xù)輸入的數(shù)據(jù)都會(huì)在這個(gè)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(dòng)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(chǔ)。在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓時(shí)，也能夠通過壓縮數(shù)據(jù)流重新建立一個(gè)字典，來(lái)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(gè)字符數(shù)據(jù)賦給變量String(S)。數(shù)據(jù)逐個(gè)輸入壓縮器中，并賦給變量Character(C)。s和C生成一個(gè)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(duì)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(shí)，其對(duì)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮。這款芯片有4 608個(gè)邏輯單元、26塊M4K RAM塊、13個(gè)嵌入式乘法器、2個(gè)鎖相環(huán)，用戶I／O引腳數(shù)目為89，完全能夠滿足設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)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(jì)采用Quartus II為FPGA器件軟件開發(fā)平臺(tái)，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(chǔ)到外部存儲(chǔ)器，再讀入計(jì)算機(jī)，用專用軟件對(duì)壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓還原，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理。

    整個(gè)設(shè)計(jì)的核心是壓縮算法的實(shí)現(xiàn)。FPGA設(shè)計(jì)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(shí)序關(guān)鍵路徑。具體到LZW算法的FPGA實(shí)現(xiàn)，劃分了10個(gè)大模塊，各個(gè)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(lái)比較清晰，圖中省略了一些控制信號(hào)的連接。狀態(tài)機(jī)控制模塊(M5)是整個(gè)壓縮模塊的時(shí)序控制中心，根據(jù)其他模塊反饋給它的信號(hào)，判斷壓縮的運(yùn)行狀態(tài)，從而控制其他各個(gè)模塊的運(yùn)行。

    用FPGA實(shí)現(xiàn)LZW算法要解決以下幾個(gè)問題：
    ①壓縮過程中字典的緩存問題。因?yàn)樗袛?shù)據(jù)處理和傳輸工作都是由FPGA完成，且考慮到實(shí)時(shí)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(lái)完成，大容量字典雖然會(huì)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(zhǎng)編碼方式對(duì)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(chǔ)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(chǔ)，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(chǔ)。
3 系統(tǒng)測(cè)試及性能分析
    首先測(cè)試LZW算法模塊能否正確無(wú)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(chǔ)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(gè)文件，最后再將這個(gè)文件與用軟件壓縮的結(jié)果作比較，來(lái)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(duì)比后的結(jié)果，從圖中下方框中的信息可知，兩個(gè)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(cè)試的全面性，避免出現(xiàn)因?yàn)榕既欢斐傻膫€(gè)別功能死角沒被測(cè)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(duì)比實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了功能上的要求。

    然后對(duì)壓縮模塊的壓縮率進(jìn)行測(cè)試。整個(gè)設(shè)計(jì)最初的定位是應(yīng)用于微體積、微功耗的測(cè)試系統(tǒng)中，現(xiàn)選取了實(shí)驗(yàn)室里一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(圖4～6)，對(duì)其分別用LZW與WinRAR進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。WinRAR是一種商業(yè)的無(wú)損壓縮軟件，使用的是混合壓縮算法，可根據(jù)需要向計(jì)算機(jī)申請(qǐng)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(jì)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(diǎn)：
    ①同一壓縮算法對(duì)同一類數(shù)據(jù)壓縮效果相差不多，但同一壓縮算法對(duì)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(duì)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(jì)的算法對(duì)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(lái)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(jiǎn)單，同時(shí)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(diǎn)也在于其算法簡(jiǎn)單，在對(duì)同一數(shù)據(jù)文件進(jìn)行壓縮時(shí)，速度上LZW比WinRAR要?jiǎng)俪鲆换I，這個(gè)速度特性在實(shí)時(shí)壓縮時(shí)尤為重要。

結(jié)語(yǔ)
    介紹了一種用FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)。通過大量測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正確無(wú)誤地工作，壓縮時(shí)的最大數(shù)據(jù)吞吐量在8 MB／s以上，對(duì)實(shí)測(cè)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(duì)存儲(chǔ)空間的要求，實(shí)現(xiàn)了壓縮性能與壓縮速度的統(tǒng)一。同時(shí)，當(dāng)FPGA工作在主頻為24 MHz，A／D采樣頻率在1 Msps時(shí)，整個(gè)電路的供電電流只有37 mA，滿足了測(cè)試系統(tǒng)低功耗的要求。若用外部RAM存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)LZW字典，將能大幅度地?cái)U(kuò)大字典容量，顯著改善數(shù)據(jù)的壓縮效果。