JPEG解码器IP核的设计与实现

摘要：介绍了基于静止图像压缩标准JPEG解码器IP核的设计与实现。设计采用适于硬件实现的IDCT算法结构，通过增加运算并行度和流水线技术相结合的方法以提高处理速度。根据Huffman码流特点，采用新的Huffman并行解码硬件实现结构，用简单的算术运算代替复杂的配对模式，解码速度快，硬件成本低。该IP核可方便地集成到诸如数码相机、手机以及扫描仪等各种应用中。
关键词：JPEG；IP核；Huffman；流水线设计

基于IP(Intellectual Property)核的设计和可复用已成为SoC(System on a Chip)设计方法的主流设计方法。本设计实现了基于静止图像压缩标准JPEG基本模式的解码器软IP核。JPEG(Joint Photograph ExpelsGroup)是1992年CCITT和ISO正式通过的连续色调静止图像压缩标准。图像的高数据量和广泛应用对图像的存储和传输提出了要求，有限的存储容量和传输带宽不能直接对图像进行存储与传输，因此需要先对图像进行压缩处理。JPEG压缩算法因其优异的压缩性能成为目前最流行的图像压缩工具。

1 JPEG解码IP核设计和实现
在JPEG解码器中，因为Huffman解码是变长的，本次解码结束后才能重新定位码流，难以实现流水线设计，所以本设计中主要通过提高功能部件并行度和在功能模块内部实现流水线来提高解码速度。因为解码速度不定，所以各功能模块间的握手信号很关键。每个模块的数据输出时也要考虑到后级模块的数据输入要求，这样才能达到整个解码过程的有序、高效进行。JPEG解码IP核总体架构，如图1所示。

1．1 JPEG解码IP核控制器设计
JPEG解码器控制器的作用是在不同解码环节为各个单元模块分配任务，以控制中间运算过程及最后输出结果。采用了有限状态机的设计方法，这是一种结构清晰、设计灵活的方法，它易于建立、理解和维护，特别是应用于大量状态转移和复杂时序控制系统中更显优势。控制器主要由一个Mealy型有限状态机实现，状态转移如图2所示。

初始化状态(IDLE)：复位或者一幅图像解码完成时进入的状态，重新定位码流，在解码开始标志有效时跳转到标志符解码状态(DeMar-ker)。
标志符解码状态(DeMarker)：按JPEG码流语法和JFIF文件格式解析标记符，根据解析出的标志符跳转到相应的标志段解码状态，如果解析到SOI标志符或者是0xFFFF状态不改变。
解码出错状态(False)：若是在标志段解码出错跳转到False状态，通过输出端口将出错信号输出，在得到外部反馈后跳转到初始化状态IDLE。
应用扩展标志段APPn、帧开始标志段SOFO、量化表定义DQT标志段、Huffman码表定义DHT标志段和扫描行开始SOS标志段的解码过程是相似的，在相应标志符后是标志段的长度，可以根据这个长度值，结合JPEG码流语法，进行码流解析，将所需的图像信息如图像尺寸、图像格式、量化表、Huffman码表等写入相应寄存器或者存储器中，以便于后续压缩数据的解码。
Huffman码流解码状态(DeHuffman)：在解析完扫描开始标志段SOS后跳转到Huffman码流解码状态，解码图像压缩数据，主要包括Huffman解码、反量化、反Z字形重排、IDCT和输出缓存等。
控制器还负责外部输入的调配工作，每个时钟周期，都将本次解码长度送至码流缓存模块，从而重新定位解码码流位置。因为有多种图像格式，所以控制器还要负责各个模块的亮度色度选择信号的输入。