1、前言

说到FPGA的应用，数据压缩算法的硬件加速器无疑是经典应用之一，用FPGA压缩图片、视频、普通数据等都具有并行执行的独特优势，关于FPGA压缩图片和视频，我之前的博客有相关设计，今天讲讲用FPGA实现对普通数据进行LZMA 压缩算法的实现；本工程源码的功能就是：基于 FPGA 的流式的 LZMA 压缩器，用于通用无损数据压缩：输入原始数据，输出标准的 LZMA 格式，LZMA 是一种常用的数据压缩算法。“.7z” 和 “.xz” 格式默认使用的算法是 LZMA。“.zip” 格式也支持 LZMA 算法。 LZMA 的压缩率通常高于 GZIP/DEFLATE 和 BZIP；

2、我这儿已有的FPGA压缩算法方案

我这里有图像的JPEG解压缩、JPEG-LS压缩、H264编解码、H265编解码以及其他方案，后续还会出更多方案，我把他们整合在一个专栏里面，会持续更新，专栏地址：
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3、FPGA LZMA数据压缩功能和性能

3.1：纯 RTL 设计，在各种 FPGA 型号上都可以部署；
3.2：极简的流式输入/输出接口，输入待压缩数据，输出LZMA压缩流。
3.3：LZMA 字典大小: 131072 字节。哈希匹配搜索引擎包含 4096个哈希值 × 8个哈希entry
3.4：压缩率高，详情如下：
使用一个 512KB data 作为待压缩数据，比较该压缩器与其它压缩方案，结果见下表。
在这里插入图片描述
3.5：FPGA 资源占用小，具体如下：
在 Xilinx 7 系列上占 2275 LUTs 和 55 BRAM36K；
在 Altera Cyclone IV 系列上占 3484 LUTs and 1.8 Mbits BRAM；
3.6：性能如下：
3.6.1：平均输入一个字节需要 13 周期；
3.6.2：在 Xilinx Artix7 的速度最慢的FPGA (-1 速率级别) 上达到 118 MHz ，平均性能约为 118/13 = 9MB/s；
3.6.3：在 Xilinx Zynq Ultrascale+ 的速度最慢的FPGA (-1 速率级别) 上达到 250 MHz ，平均性能约为 250/13 = 19MB/s；
3.6.4：在 Altera Cyclone IV E 的速度最慢的FPGA (8 速率级别) 上达到 83 MHz ，平均性能约为 83/13 = 6.3MB/s；
3.6.5：当前版本的压缩率和FPGA资源消耗都足够好，但性能还不够让我满意 (7ZIP的LZMA快速压缩在个人计算机上使用单线程，性能约为约为5~10MB/s)。因此，当前版本可能仅适用于某些嵌入式应用。我将来会优化它的性能。

4、FPGA LZMA 数据压缩设计方案

FPGA LZMA 数据压缩设计方案框图如下：
在这里插入图片描述
其中的哈希列表和数据缓冲buffer在模块中的位置如下：

输入输出接口描述

输出接口是精简的、无握手的、8-bit 位宽的 AXI-stream master ，用来输出 LZMA 压缩流。
在这里插入图片描述
所有信号都在 clk 的上升沿改变或被采样
o_valid=1 时， o_data 有效；
o_data 是输出的 LZMA 压缩流中的一个字节；
o_last 用来界定 LZMA 压缩流的边界。当 o_valid=1 且 o_last=1 ，说明当前字节是一个LZMA压缩流的最后一个字节；
当 o_last=1 时，一定有 o_valid=1；

输出接口是精简的、无握手的、8-bit 位宽的 AXI-stream master ，用来输出 LZMA 压缩流。
所有信号都在 clk 的上升沿改变或被采样；
o_valid=1 时， o_data 有效；
o_data 是输出的 LZMA 压缩流中的一个字节；
o_last 用来界定 LZMA 压缩流的边界。当 o_valid=1 且 o_last=1 ，说明当前字节是一个LZMA压缩流的最后一个字节；
当 o_last=1 时，一定有 o_valid=1；

数据处理流程

LZ检索器

详见计方案框图；
输入数据首先给到LZ检索器进行数据处理；
LZ检索器在代码中的位置如下：可以看到，由纯verilog代码实现；
在这里插入图片描述

数据同步

LZ模块输出的数据需要做数据同步处理，使用一个纯verilog编写的同步fifo实现，这个比较简单，不必多说，在代码中的位置如下：
在这里插入图片描述

LZMA 压缩器

LZMA 压缩器是整个代码的核心，采用标准的LZMA 算法实现，只不过将该算法用verilog代码实现了，在代码中的位置如下：
在这里插入图片描述

为输出LZMA压缩流添加文件头

为了让输出的LZMA流被各种解压软件识别，我们需要使用“容器格式”（即添加文件头或文件尾）。注意，“.zip”、“.xz”、“.7z” 都是容器格式。它们比较复杂，这里我们不介绍它们。
这里只介绍一种非常简单的容器格式： “.lzma” 格式。它的格式是：
.lzma" 格式 = 13字节文件头 + LZMA压缩流
其中，13字节文件头是固定的：
0x5E, 0x00, 0x00, 0x02, 0x00, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF, 0xFF
当我们将完整的 “.lzma” 格式的数据 (13字节文件头+LZMA压缩流) 保存到 “.lzma” 文件后，就可以用各种官方压缩软件来解压它。

5、vivado仿真

vivado仿真设计框图如下：
在这里插入图片描述
其中，随机数据包生成器 (tb_random_data_source.v) 将生成四种不同特征的数据包 (均匀分布的随机字节、非均匀分布的随意字节、随机连续变化的数据和稀疏数据) ，这些数据包将被发送到待测设计 (lzma_compressor_top) 进行压缩。
tb_save_result_to_file.v 模块将压缩后的结果存储到文件。每个 LZMA压缩流都会存储在一个独立的 “.lzma” 文件中 (该模块也负责附加13字节的文件头)。

vivado仿真代码架构如下：
在这里插入图片描述
vivado仿真打印结果如下：

仿真波形如下：

仿真后生成的zip压缩文件保存的路径如下：

然后可以用LZMA解压软件或者Windows自带的字节软件将其解压打开看，LZMA解压软件在资料包中，如下：

如果你喜欢用iverilog平台仿真，可以直接点击上图中的bat文件仿真；