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Gzip压缩的硬件加速电路设计

更新时间：2019-12-25 03:34:39 大小：1M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：Gzip压缩硬件加速电路设计 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

硬件无损压缩技术可以发挥专用电路的速度和功耗优势,被广泛应用于大数据计算以及通信领域.本文以GNUzip(Gzip)数据无损压缩技术为原型设计了一种硬件压缩电路.通过采用双Hash函数、并行匹配处理、面向硬件存储的LZ77压缩存储格式、高效数据拼接器等加速方法,发挥并行计算和流水线结构优势,提升压缩速率.该硬件压缩电路基于Verilog HDL设计,使用现场可编程门阵列(FPGA)进行测试和验证.测试数据表明:与软件压缩方式相比,该硬件压缩电路在获得适中压缩率(65.9%)的同时,其压缩速率得到显著提升,平均压缩速率达171Mb/s,满足网络通信、数据存储等实时压缩应用需求.


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3
Vol. 45 No. 3  
Mar. 2017  
第
2017  
期
电
子
ACTA ELECTRONICA SINICA  
学
报
3
年
月
Gzip  
压缩的硬件加速电路设计  
，
，
，
李 冰 王超凡 顾 巍 董 乾  
(
，
210096)  
东南大学集成电路学院 江苏南京  
:
，
.
摘
要
硬件无损压缩技术可以发挥专用电路的速度和功耗优势 被广泛应用于大数据计算以及通信领域 本  
GNUzip( Gzip)  
.
数据无损压缩技术为原型设计了一种硬件压缩电路 通过采用双  
Hash  
、
、
文以  
函数 并行匹配处理 面向  
LZ77  
、
，
，
.
硬件存储的  
压缩存储格式 高效数据拼接器等加速方法 发挥并行计算和流水线结构优势 提升压缩速率 该硬  
Verilog HDL  
，
( FPGA)  
.
:
件压缩电路基于  
设计 使用现场可编程门阵列  
进行测试和验证 测试数据表明 与软件压缩方式  
171Mb/s，  
满足  
，
( 65ꢀ 9% )  
，
，
相比 该硬件压缩电路在获得适中压缩率  
的同时 其压缩速率得到显著提升 平均压缩速率达  
、
网络通信 数据存储等实时压缩应用需求  
.
:
; Gzip; ; LZ77; FPGA  
硬件  
关键词  
中图分类号  
无损压缩  
:
TP391ꢀ 1; TN492  
:
A
:
0372－2112 ( 2017) 03－0540－06  
DOI: 10. 3969 /j. issn. 0372－2112. 2017. 03. 005  
文献标识码  
文章编号  
URL: http: / /www. ejournal. org. cn  
电子学报  
Hardware-Accelerated Circuit Design for Gzip Compression  
LI Bing，WANG Chao－fan，GU Wei，DONG Qian  
( School of Integrated Circuit，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China)  
Abstract: The hardware implementation of lossless data compression is wildly used in big data computing and com－  
munication，since it combines the speed and power advantage of the dedicated circuit. This paper proposed a hardware com－  
pression circuit based on GNUzip( Gzip) lossless data compression algorithm. The dual Hash functions，parallel match pro－  
cessing，hardware storage oriented LZ77 compression data format and high－performance data adaptor were involved to accel－  
erate the compression speed with the advantages of parallel calculation and pipeline structure. The hardware compression cir－  
cuit，based on Verilog HDL，was tested and verified by field programmable gate array( FPGA) . The test data shows that，  
compared with software implementation，the compression speed of hardware circuit is improved significantly while the com－  
pression rate is 65ꢀ 9% . The average speed is up to 171Mb/s that can satisfy the real－time compression requests of network  
communication and data storage.  
Key words: lossless compression; Gzip; hardware; LZ77; FPGA  
研究［2，3］ 清华大学和百度公司使用分布式随机存储器  
;
1
引言  
( RAM)  
，
FPGA，  
实现了高速多通  
构成字典 基于定制的  
［4］  
、
数据无损压缩技术可节约存储空间 降低数据传  
Gzip  
;
道的  
无损数据压缩  
微软公司和华盛顿大学合  
Hash  
输带宽需求［1］ 且不影响数据重构质量 常以软件方式  
，
，
LZ77  
，
处理结构 取代了原有  
作设计了新型  
算法的  
Hash  
［5］  
.
，
，
实现 该方式配置灵活 易获得较好的压缩率 但存在资  
，
;
滑铁卢大  
的链表结构 有效提升了  
的处理效率  
、
、
，
源消耗多 功耗大 处理速率低等性能瓶颈 无法满足大  
.
Huffman  
，
学完成了动态  
编码的硬件实现等工作 进一步  
提升了压缩率性能［6］  
数据环境下的实时压缩处理需求  
.
是一种基于字典［7，8］ 和熵编码［9］ 的无损压缩  
，
基于硬件的数据无损压缩实现方式 可充分利用  
Gzip  
，
其并行计算和流水线的性能优势 以很小的压缩率损  
.
，
方式 本文以提高数据压缩速率为主要目标 兼顾硬件  
，
失为代价获得极高的处理效率 同时几乎不占用上位  
，
Hash  
、
、
资源消耗 使用双  
函数 并行匹配处理方法 面向  
、
.
机的运算 存储资源 因而被国内外院校和企业关注和  
LZ77  
、
压缩存储格式 高效数据拼接器等多  
硬件存储的  
: 2015－08－17;  
: 2016－01－15; :  
责任编辑 覃怀银  
收稿日期  
修回日期  
:
( No. 61571116)  
基金项目 国家自然科学基金  
541  
3
: Gzip  
第
期
李
冰
压缩的硬件加速电路设计  
Deflate  
，
Xilinx Vertix－6 ML605  
、
Huffman  
种提速方法 基于  
Gzip  
硬件平台实现  
算法第二级包括动态 静态  
编码处  
.
.
理 动态  
Huffman  
，
是一种基于频率统计的编码方式 其  
了
数据无损压缩 测试发现其平均压缩速率可达  
、
“
”
171Mb/s，  
频率统计 基于频率编码的 两遍 处理需求限制了流  
相较无损压缩软件的平均处理速率提升可达  
.
，
Huffman  
8
.
水线结构的使用 另外 动态  
编码过程中对存  
储资源需求大且利用率不高 本文以提升无损压缩速  
Huffman  
倍多  
.
2
Gzip  
数据无损压缩技术  
，
，
率为主要目标 兼顾资源消耗 选择使用静态  
Gzip  
Deflate  
是一种基于  
算法的两级无损压缩方  
.
实现第二级数据无损压缩的方式 以少量压缩率损失  
，
1( a)  
，
式 该两级处理流程如图  
所示 待压缩数据经第一  
，
.
为代价 获得硬件资源的优化和压缩速率的极大提高  
［6，9］  
LZ77  
，
、
Huff－  
级
man  
压缩后 再分别经过第二级的动态 静态  
Huffman  
，
如表  
1
静态  
编码根据预设编码表  
所
，
．
编码处理 最后选择压缩率较好的结果输出  
， LZ77  
( LEN、DIS、LIT)  
，
示 对  
压缩输出数据  
进行编码 并  
［7，8］  
LZ77  
，
通
是一种基于字典的数据无损压缩算法  
过使用索引替代重复出现的字符串达到压缩的目的  
1( b) ( Hash)  
函数被引入用来实  
Gzip  
. LZ77  
按
文件格式封装发送  
压缩输出数据的组织  
.
，
形式也是影响编码速率的关键因素之一  
1
Huffman  
表
静态  
编码树  
，
其流程如图  
现快速查找重复字符串 顺序计算每个字符串前 个字  
( byte) Hash Hash  
所示 哈希  
:
3
字符编号  
编码位数  
编码值  
，
、
，
0 ꢁ 143  
8
9
7
8
00110000 ꢁ 10111111  
节
的
值 根据  
值构造 维护链表 并沿  
144 ꢁ 255  
256 ꢁ 279  
280 ꢁ 287  
110010000 ꢁ 111111111  
0000000 ꢁ 0010111  
.
，
着链表顺序搜索匹配 若匹配完成时 未找到重复字符  
，
( LIT) ，  
串 则输出字符编码  
反之则输出由指回距离  
.
11000000 ꢁ 11000111  
( DIS) ( LEN)  
与匹配长度  
构成的编码  
3
Gzip  
数据无损压缩硬件加速方案  
2
针对第 节所述各种影响  
Gzip  
无损压缩速率的关  
，
4
，
键问题 本文相应使用 种加速方法 以达到数据无损  
.
压缩硬件加速的目的  
3. 1  
Hash  
LZ77  
双
函数提升  
匹配成功率  
，3byte  
Hash  
15  
使用  
函数构造链 表 时  
”
变 量与  
“
位
( bit) Hash  
“
”
值 多对一 的映射关系会导致 伪匹配 情  
，
.
2
况的出现 降低字符串匹配的成功率 本文通过使用  
Hash 3byte Hash  
的
，
值 当且  
.
种不同  
仅当所得  
“
函数计算字符串前  
Hash  
值的指向地址相同时维护链表 以此降  
”
，
.
低 伪匹配 出现概率 提高匹配成功率  
2
，
电路结构如图 所示 链表信息存储于链头存储器  
( Head Ram1、Head Ram2)  
( Prev Ram)  
和回溯存储器  
2 Hash  
ꢁ
ꢁ
ꢁ
. Hash  
，
中
计算模块 包含 个不同的  
函数计算逻  
，
Hash  
.
/
辑 可并行计算两路  
值 链表构造 维护模块根据  
Hash  
Head Ram1、Head Ram2  
两个  
两路  
值相应地从  
中获取  
值各自的指向地址 当所指向的地址相同时  
Head Ram1、Head Ram2 Prev Ram.  
ꢁ
ꢁ
Hash  
，
，
维护链表 更新  
和
ꢁ
ꢁ
ꢁ
，
Hash  
( Mat Ad－  
值都指向的相同地址  
同时 将两路  
ꢁ
LZ77  
，
压缩是一个循环迭代的过程 由于各个步骤  
，
;
Hash  
间数据的依赖性 使得并行计算难以开展 加之  
函
“
”
，
Hash  
数 多对一 的特征 不可避免地出现  
值相同而字  
“
”
.“ ”  
符串不同的 伪匹配 情况 伪匹配 导致不必要的匹  
LZ77  
.
压缩处理速率 此 外  
，
配比较工作将极大限制  
LZ77  
LZ77  
匹配处理的执行效率也是影响  
压缩处理速  
.
率的关键因素  

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