基于LZW算法的数据无损压缩硬件实现

　　1 LZW算法及其改进算法

　　LZW压缩算法在压缩的过程中自适应建立一个字典，以后的数据同字典中的数据相匹配，匹配上则输出字典的索引。由于表示字典的索引所用的比特数远小于字符的比特数，从而达到压缩的效果。这个生成的字典不需要随着压缩的数据一同传输，而是能够根据压缩的数据在解压时重新动态生成一模一样的字典。

　　LZW编码原理如图1所示，在进行压缩时首先把字典中的前256(0～255)项初始为全部的256个8位字符，分别为十进制数0～255。当输入第一个字符时，总是在字典中可以找到，直到新的字符X不在字典词条中时，便将字符串IX加入到字典的第256项，以此类推。以字符串流5，6，7，8，9，5，5，6，6，7，8，9，5，…为例，表1给出了字典存储的物理结构和压缩过程中字典项的读写示意。压缩后编码输出为5，6，7，8，9，5，256，257，259，…。

　　输入/输出数据缓存模块完成FPGA所有数据传输工作，为了保证异步时钟域数据同步，使用FPGA片内的Block RAM构成一个FIFO对输入数据进行缓存。

　　字典存储器模块需要存放字典项的三部分内容：字典项编码、前缀码、当前码。将存储器的容量设计为1K。采用FPGA内部宏单元lpm-ram-dp(单口RAM)设计字典存储器。

　　算法实现模块要实现匹配串的查找、判断字典相应地址内容是否为空、比较字典地址相应内容是否匹配或冲突、冲突时重新生成地址、压缩编码输出控制、压缩结束控制等功能。

　　外接闪存数据宽度为8位，所以压缩后输出数据位数需要转换。数据转换模块就是实现压缩后数据由13位向8位的转换。

　　时钟处理与控制模块主要完成时钟的匹配与控制，对各个功能模块分配时钟，并初始化各使能端信号。

　　2.3 仿真结果

　　清空字典存储器模块，初始化信号，将可能出现的单字符存入字典，压缩时新传续存地址为4096，新字符串输入时产生相应的哈希表地址与偏移量;然后读字典存储器相应地址的内容，如内容为空则输出输入的数据，并把相应内容存入字典，如内容匹配，则继续输入下一数据，否则(即发生冲突)产生新的哈希表地址，重新读取字典，进行判断、比较。仿真时序如图3所示。

　　

 

　　仿真结果：输入数据为5，6，7，8，9，5，6，7，8，9，5，6，7，…;输出数据为5，6，7，8，9，4 098，4 100，4 102，…。仿真结果与理论计算值一致。

　　3 结 论

　　LZW算法逻辑简单，实现速度快，擅长于压缩重复出现的字符串;无需事先统计各字符的出现概率，一次扫描即可;相对于其他算法，更有利于硬件实现。本文利用FPGA实现了改进的LZW压缩算法，仿真证明其算法具有很高压缩率，适合工程的实际应用。

 

　　

 

　　传统的LZW压缩算法采用8位数据输入，固定长度编码输出，随着字典内容的不断增多，输出编码的位数不断增加势必造成资源的浪费，也会损失压缩率。另外，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。针对以上不足，文献对LZW算法做以下改进：采用12位数据作为压缩输入，变长度的码字输出。

　　压缩字典最多可容纳16 384个码，共分为三部分，其中0～4 095为12位输出，4 096～8 191为13位，8 192～16 383为14位。每当输出长度变化时，同时输出一个变长标识，便于解码器解码。

　　2 LZW算法FPGA实现

　　2.1 算法实现硬件结构

　　LZW数据压缩算法的FPGA硬件实现，其内部功能模块划分如图2所示。

　　

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