基于FPGA实现压缩算法

1、LZW压缩简介
略，参考原文档
2、LZW压缩原理
略，参考原文档
3、LZW压缩实现难点
FPGA实现LZW算法要解决以下5个问题：
1）字典容量选择
在实现LZW压缩与解压缩算法的时候，需要构建一个字典，用来存放压缩过程中形成的字符串表。LZW算法的字典是自适应生成的，在实际应用中，若无限制地增大字典的容量，虽然可能获得更好的压缩率，但进行字符串匹配时查找的时间会变长，并且随着编码的码字位数增加，有时可能会导致压缩效率降低，影响压缩速率，因此字典的容量要受一定的限制。
2）压缩速度
利用RAM来构造字典，由于RAM查找是根据地址的累加进行串行查找的，这种查找方法将会影响数据的输出速度，最终造成输入数据的溢出。例如,对于一个深度为512的字典，需要的查找时间为l～512个不等周期（若第N个地址查到，则需要N个时钟周期）。
3）压缩率
第一，设置字典的不同大小可以影响压缩率。当所设置的字典比较小的时候，字符串表在很短的时间内就会被填满，导致字典的匹配性不强，这样就对数据的压缩效果产生影响，使得压缩率不高。
第二，字典更新策略可以影响压缩率。由于字典的容量有限，随着压缩过程的进行，字典会被填满，若是简单的不再向字典中增加内容，那么后面的压缩率就会降低 ,而如果将字典全部清除重新建立字典，在字典建立初期压缩率也是很低的。
4）资源利用率
字典的建立使用FPGA片内资源来完成，大容量字典虽然会提高压缩比，但必须考虑到FPGA内部的资源（FPGA内部RAM资源）。
5）程序鲁棒性
FPGA设计过程中模块划分非常重要，好的模块划分能够大大减少逻辑所消耗的面积并优化功能的时序关键路径。对于系统时钟在200MHz的以上逻辑设计，如果只考虑逻辑功能，而不考虑最终的代码综合和实现，时序结果出现大量的时序违规，可以说这个设计是不可靠的。
4、LZW压缩方案
1）字典容量应该选择多大？
略，参考原文档
2）如何提高压缩速度？
略，参考原文档
3）如何考虑压缩率？
略，参考原文档
4）如何考虑资源利用率？
略，参考原文档
5）如何设计程序鲁棒性
略，参考原文档
5 LZW压缩测试及性能
LZW算法测试主要分为软件测试、硬件测试、资源利用率、压缩率和压缩速度。软件测试也就是功能仿真，验证逻辑功能正确性；硬件测试是代码运行在实际的FPGA芯片，通过在线逻辑分析仪调试LZW算法验证逻辑正确性；资源利用率测试是指代码综合或实现后占用FPGA内部资源使用情况。
6 LZW算法结束语
基于xilinx FPGA实现LZW压缩算法。经过仿真验证与硬件验证 , 结果表明该算法的FPGA实现能获得20%左右的压缩比，工作速率12.72MB/s（如果需要更高的工作速率，只需要提高系统时钟即可，250MHz时钟，工作速率为15.89MB/s），FPGA资源使用率非常低，完全满足系统实时处理的需求。技术咨询请发邮件沟通：[email protected]。
目前LZW算法改进后,压缩单个字节需要10个时钟周期，若周期T = 5ns，工作速率19.07MB/s；若周期T = 4ns，工作速率23.84MB/s。说明：FPGA资源占用率相对增加一些。