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基于LZW算法的数据无损压缩硬件实现

作　者: 刘洪庆
导　师: 沈海斌
学　校: 浙江大学
专　业: 电路与系统
关键词: LZW算法无损压缩硬件实现 VLSI 字典
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 321次
引　用: 4次
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内容摘要

随着信息技术的发展,人们的生活逐渐被海量数据淹没,由此催生出了数据压缩技术。其中的无损压缩技术,在电信、航天、医疗等领域,有着广泛的应用背景。该技术的硬件实现方案,因为压缩速度快、性能强而日益获得人们的重视,成为一个热门的研究方向。本设计提出了一种基于LZW优化算法的数据无损压缩硬件实现。根据硬件实现的特点对算法做了相应改进,将LZW与霍夫曼编码相结合,引入了并行分级体系、虚拟字典概念和FIFO更新策略。根据改进算法设计了压缩器体系结构,采用并行字典查找方法,改善匹配串地址编码,适于硬件实现,提高了查找速度。字典被拆分成8个小字典,宽度递增,有效节省了存储空间。压缩器分成各个模块,并用硬件描述语言VerilogHDL设计。体系结构清晰,减少了代码量,体现了模块化思想。采用控制寄存器来配置压缩器,清晰分离了控制部分和数据部分,优化了结构。采用基于CRC8码比较的BIST设计,有利于提高测试速度,体现了DFT思想。设计完成后,用C程序完成仿真模型,验证了系统功能的正确性。比较各种字典划分方法,证明了所选择方案的合理性。在Modelsim仿真环境中,对代码进行功能仿真,结果表明压缩器可以正确按照改进算法实现数据的压缩。使用Synplify,工具,以Xilinx的Virtex4系列器件XC4VFX100为目标对设计进行综合,结果显示工作频率达到了175MHz,资源占用情况也可以接受。压缩器数据处理能力达到601Mbps,是同样算法的软件实现的20倍,与市面上同类产品相比亦毫不逊色。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外研究现状和发展趋势  10-12
  1.3 课题研究内容及章节安排  12-14
第2章基本理论及常用算法  14-32
  2.1 信息量、熵和冗余度  14-15
  2.2 压缩算法分类  15-16
  2.3 LZ系列算法概述  16-19
    2.3.1 LZ77算法  16-17
    2.3.2 LZ78算法  17-18
    2.3.3 LZSS算法  18-19
  2.4 霍夫曼编码  19
  2.5 LOCO-Ⅰ算法  19-21
  2.6 LZW算法  21-28
    2.6.1 基本压缩算法  22-25
    2.6.2 基本解压缩算法  25-27
    2.6.3 算法特点分析  27-28
  2.7 LZW算法优化  28-30
  2.8 总结  30-32
第3章体系结构设计和各功能模块实现  32-50
  3.1 系统体系结构划分  32-34
  3.2 数据输入模块  34
  3.3 字典模块设计  34-38
    3.3.1 最小存儲单元munit  35-37
    3.3.2 中级存储块mpart  37
    3.3.3 顶层小字典dic  37-38
  3.4 匹配地址生成模块设计  38-42
    3.4.1 匹配串地址生成  40-41
    3.4.2 匹配块地址生成  41-42
    3.4.3 压缩编码组合生成  42
  3.5 并行搜索设计  42-44
  3.6 FIFO更新策略  44-45
  3.7 内建自测试模块设计  45-47
    3.7.1 BIST重要意义  45-46
    3.7.2 Logic BIST结构  46
    3.7.3 PRPG模块  46-47
  3.8 组合寄存器模块  47-50
    3.8.1 config寄存器  48-49
    3.8.2 bist_ctrl寄存器  49
    3.8.3 crc_en寄存器  49-50
第4章验证模型实现和功能正确性测试  50-58
  4.1 模型实现的总体介绍  50-54
    4.1.1 字典类程序  50-52
    4.1.2 压缩和解缩子程序模块  52-54
  4.2 功能正确性验证  54
  4.3 验证小字典划分方案  54-58
    4.3.1 常见字典划分方案  54-55
    4.3.2 字典划分方案的确定  55-58
第5章仿真及综合  58-64
  5.1 系统功能仿真  58-60
  5.2 系统综合分析  60-62
    5.2.1 时序综合结果  60-61
    5.2.2 资源占用情况  61-62
  5.3 系统性能分析对比  62-64
第6章总结和展望  64-66
  6.1 总结  64-65
  6.2 展望  65-66
参考文献  66-69
硕士期间发表论文  69-70
致谢  70

基于LZW算法的数据无损压缩硬件实现

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