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摘要
随着云时代的来临,数据压缩技术在各个领域中的应用也越加受到重视,在数据传输中
能够提升传输速率,降低传输延迟,在文件存储中能够提高存储介质的利用率,降低存储成
本。Deflate作为一种经典的无损压缩算法,通过结合字典编码与Huffman编码,对原始数据
进行二次压缩,使得文件的大小得到有效的降低。Deflate算法虽然具备优异的压缩性能,但
在压缩过程中需要长时间占用内存,并消耗大量的CPU算力,以软件方式实现的该算法其运
行效率并不理想,不能满足云时代背景下高带宽、低延迟的需求。
本文针对CPU架构下Deflate算法实时性差的问题,提出了一种基于FPGA的异构加速
方案。设计中利用了FPGA结构灵活、算力强大的特性,对Deflate压缩算法进行了并行加速
实现。通过限制字符串匹配范围,以牺牲部分压缩率为代价,保证了各压缩引擎能够无耦合
地对各Block进行并行压缩。针对单个Deflate压缩引擎的并行特性,提出了一种动态深度哈
希表结构,并配合控制模块以及数个匹配单元,对多个起始位置处的字符串进行并行匹配。
针对字典编码后的三元组结构,设计了高效的Huffman编码与Deflate组包模块。
本文使用VerilogHDL对Deflate压缩引擎进行了实现,最高运行频率为265.11MHz。当
系统频率为250MHz时,单个Deflate压缩引擎对Silesia语料库的压缩速度约为347.5MB/s,
相较IntelCorei9-9900k@5GHz下的软件实现而言提升了3倍左右。设计实现的数字电路在
牺牲部分压缩率的条件下,使得Deflate压缩算法的速度得到了大幅提升,能够满足云时代下
的数据传输与存储的高带宽、低延时需求,达到了本课题的研究目的。
关键词:无损压缩,Deflate,字典编码,Huffman编码,FPGA
ABSTRACT
Withtheadventofthecloudera,datacompressiontechnologyplaysanincreasinglyimportant
roleinvariousfields.Thistechnologyisusedindatatransmissionfieldtoincreasethetransmission
rateandreducetransmissiondelay.Anotherfieldwheredatacompressionusedisdatastorage,which
usestoimprovestoragemediautilizationandreducestoragecosts.Asaclassiclosslesscompression
algorithm,Deflatealgorithmcompressestheoriginaldatatwicebycombiningdictionaryencoding
andHuffmanencoding,whicheffectivelyreducesthefilesize.Thoughtheexcellentcompression
performancetheDeflatealgorithmpossess,thelargememoryspaceoccupationandCPUcomputing
powerconsumingduringcompressionprocessareintolerabledrawbacks.
DuetothelowperformanceoftheDeflatealgorithmsoftwareimplementation,thispaper
proposedaheterogeneousaccelerationschemebasedonFPGAtomeettherequirementofhigh
bandwidthandlowlatencyofthisalgorithm.Thisdesignimplement
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