JPEG解碼器IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了基于靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG解碼器IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)采用適于硬件實(shí)現(xiàn)的IDCT算法結(jié)構(gòu)，通過增加運(yùn)算并行度和流水線技術(shù)相結(jié)合的方法以提高處理速度。根據(jù)Huffman碼流特點(diǎn)，采用新的Huffman并行解碼硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，用簡單的算術(shù)運(yùn)算代替復(fù)雜的配對(duì)模式，解碼速度快，硬件成本低。該IP核可方便地集成到諸如數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)以及掃描儀等各種應(yīng)用中。
關(guān)鍵詞：JPEG；IP核；Huffman；流水線設(shè)計(jì)

基于IP(Intellectual Property)核的設(shè)計(jì)和可復(fù)用已成為SoC(System on a Chip)設(shè)計(jì)方法的主流設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG基本模式的解碼器軟IP核。JPEG(Joint Photograph ExpelsGroup)是1992年CCITT和ISO正式通過的連續(xù)色調(diào)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。圖像的高數(shù)據(jù)量和廣泛應(yīng)用對(duì)圖像的存儲(chǔ)和傳輸提出了要求，有限的存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬不能直接對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)與傳輸，因此需要先對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理。JPEG壓縮算法因其優(yōu)異的壓縮性能成為目前最流行的圖像壓縮工具。

1 JPEG解碼IP核設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
在JPEG解碼器中，因?yàn)镠uffman解碼是變長的，本次解碼結(jié)束后才能重新定位碼流，難以實(shí)現(xiàn)流水線設(shè)計(jì)，所以本設(shè)計(jì)中主要通過提高功能部件并行度和在功能模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)流水線來提高解碼速度。因?yàn)榻獯a速度不定，所以各功能模塊間的握手信號(hào)很關(guān)鍵。每個(gè)模塊的數(shù)據(jù)輸出時(shí)也要考慮到后級(jí)模塊的數(shù)據(jù)輸入要求，這樣才能達(dá)到整個(gè)解碼過程的有序、高效進(jìn)行。JPEG解碼IP核總體架構(gòu)，如圖1所示。

1．1 JPEG解碼IP核控制器設(shè)計(jì)
JPEG解碼器控制器的作用是在不同解碼環(huán)節(jié)為各個(gè)單元模塊分配任務(wù)，以控制中間運(yùn)算過程及最后輸出結(jié)果。采用了有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法，這是一種結(jié)構(gòu)清晰、設(shè)計(jì)靈活的方法，它易于建立、理解和維護(hù)，特別是應(yīng)用于大量狀態(tài)轉(zhuǎn)移和復(fù)雜時(shí)序控制系統(tǒng)中更顯優(yōu)勢(shì)。控制器主要由一個(gè)Mealy型有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2所示。

初始化狀態(tài)(IDLE)：復(fù)位或者一幅圖像解碼完成時(shí)進(jìn)入的狀態(tài)，重新定位碼流，在解碼開始標(biāo)志有效時(shí)跳轉(zhuǎn)到標(biāo)志符解碼狀態(tài)(DeMar-ker)。
標(biāo)志符解碼狀態(tài)(DeMarker)：按JPEG碼流語法和JFIF文件格式解析標(biāo)記符，根據(jù)解析出的標(biāo)志符跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的標(biāo)志段解碼狀態(tài)，如果解析到SOI標(biāo)志符或者是0xFFFF狀態(tài)不改變。
解碼出錯(cuò)狀態(tài)(False)：若是在標(biāo)志段解碼出錯(cuò)跳轉(zhuǎn)到False狀態(tài)，通過輸出端口將出錯(cuò)信號(hào)輸出，在得到外部反饋后跳轉(zhuǎn)到初始化狀態(tài)IDLE。
應(yīng)用擴(kuò)展標(biāo)志段APPn、幀開始標(biāo)志段SOFO、量化表定義DQT標(biāo)志段、Huffman碼表定義DHT標(biāo)志段和掃描行開始SOS標(biāo)志段的解碼過程是相似的，在相應(yīng)標(biāo)志符后是標(biāo)志段的長度，可以根據(jù)這個(gè)長度值，結(jié)合JPEG碼流語法，進(jìn)行碼流解析，將所需的圖像信息如圖像尺寸、圖像格式、量化表、Huffman碼表等寫入相應(yīng)寄存器或者存儲(chǔ)器中，以便于后續(xù)壓縮數(shù)據(jù)的解碼。
Huffman碼流解碼狀態(tài)(DeHuffman)：在解析完掃描開始標(biāo)志段SOS后跳轉(zhuǎn)到Huffman碼流解碼狀態(tài)，解碼圖像壓縮數(shù)據(jù)，主要包括Huffman解碼、反量化、反Z字形重排、IDCT和輸出緩存等。
控制器還負(fù)責(zé)外部輸入的調(diào)配工作，每個(gè)時(shí)鐘周期，都將本次解碼長度送至碼流緩存模塊，從而重新定位解碼碼流位置。因?yàn)橛卸喾N圖像格式，所以控制器還要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的亮度色度選擇信號(hào)的輸入。