（微电子学与固体电子学专业论文）基于ip软核的ic设计.pdf

基于i p 软核的i c 设计 摘要 集成电路进入s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 设计阶段以后，基于i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 核的s o c 设计方法已经成为目前s o c 设计方法中主流的设计方法之一。i p 核又分为硬核，软核，固核。与工 艺无关的，仅仅是一段h d l 语言的为软核，可以修改，需要自己做后端； 具有特定电路功能的集成电路版图称为硬核。硬核一般不允许更改，利用 硬核进行集成电路设计难度大，但是容易成功流片；固核是介于他们之间 的。其实可以把i p 理解为一颗a s i c ，以前是a s i c 做好以后供人家在p c b 上使用，现在是i p 做好以后让人家集成在更大的芯片里。我国集成电路 设计起步较晚，设计水平、设计能力与国外有一定差距，设计并开发具有 自主知识产权的i p 核，对我国的i c ( i n t e g r a t e d c i r c u i t ) 产业具有重要的 意义。 从系统设计上，本文所讨论的j p e gd e c o d e ri p 是以软核的形式介绍 的，满足了i p 的可重用性。随着多媒体技术的发展，人们对数字图像的 处理要求越来越高了。j p e g 虽然是针对静态图像提出的标准，但是它的 分支也是很适用于低成本的动态图像场合。现在的图像显卡已经发展到高 速处理3 d 的图像水平，但是对静止图像j p e g 压缩的评测仍是一项基本 指标。可见j p e g 的重要意义。尤其是为了满足对图像解码的实时性，可 靠性和灵活性的要求，需用专用集成电路来完成j p e g 算法。 从算法上，在h u f f m a n 解码模块部分采用的是并行结构的方式，可以 针对不确定码长进行匀速的解码，完成同时可以对最小码子，最小码长， 地址的确定。在i d c t 模块中，也通过插入流水线的方式来提高速度。对 s t r e a m p a r s e r 模块部分选用硬件解码方式，而不是软件，这样可以减少外 部c p u 的负担但是会增加硬件复杂性。 本论文所设计的j p e gd e c o d e ri p 软核经过了完备的功能验证，通过 了f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 硬件验证。 关键词：j p e g ，f p g a 。s t r e a mp a r s e r 。h u f f m a n ，i d c t ，最小码子，i p i cd e s i g nb a s eo ni ps o f tc o r e a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n du s eo fi pc o r e sh a sb e e nt h em a i nd e s i g nm e t h o df o rs o c ( s y s t e mo nac h i p ) d e s i g ns i n c et h ei cd e s i g ne n t e r si n t os o cd e s i g ne r a i pc o r ec a n b ec o m p o s e do ft h r e ep a r t s ：s o f tc o r e ，h a r dc o r e ， t h e yc a nb ed i v i d e db yd i f f e r e n t p r o c e s s n o ww ec a nf i r s t l yd e s i g nm a n yi p , t h e nt h e s ei pc a nb em a d eo fa s i c i pi s i n d e p e n d e n t h o w e v e r , i cd e s i g ni nc h i n ad e v e l o p sl a t t e rt h a ns o m eo t h e rc o u n t r i e s ，i t i ss i g n i f i c a n tf o ru st od e s i g nt h ei pc o r e sw h i c h b e l o n gt ou s i ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ，1w i l li n t r o d u c ej p e gd e c o d e ri pb ys o f tc o r e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i at e c h ，m o r ea n dm o r ep e o p l ei m p r o v et h e i rd e m a n d sf o r d i g i t a li m a g i n e j p e gi s ak i n ds t a n d a r do fi m a g e ，b u ti tc a na p p l yf o ral o to ff i e l d ， e g n e t w o r k ，p i c t u r e ，c o m m u n i c a t i o na n ds oo n f o rs a r i s f y i n ga l lr e q u i m e n ta b o u t q u a l i t yo fi m a g e ，w eu s ean e w a r i t h m e t i ct os p e e dd e c o d ec o d e s w ec h o s eh a r d w a r et o f i n i s hd e c o d i n gs ot h a ti pd i d n td i s t u r bc p u i n a r i t h m e t i c ，i nh u f f m a nm o d e l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sam e t h o da b o u tt h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep a r a l l e lo fh u f f m a nd e c o d e ri nj p e g t h i sp a r a l l e lf r a m ec a n r u nb o t hs t r e a mp a r s e ra n dd e c o d e t h i sm e t h o dn e e d sm o r ep i p e l i n e sa n do c c u p a t i o no f h a r d w a r es o u r c e ，b u ti tw i l lp r o v i d ee f f i c i e n c yo fd e c o d i n gc o d e w o r d t h ej p e gd e c o d e ri pc o r e d e s i g n e di n t h i st h e s i sp a s st h ef u l lf u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o na n df p g ah a r d w a r ev e r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：j p e g ，f p g a ，s t r e a mp a r s e r ，h u f f m a n ，i d c t ，m i n - c o d e ，i p i i 插图清单 图1 1可重用i p 核设计流程3 图1 2系统级验证平台生成流程5 图2 1编解码流程图7 图3 1j p e 0 系统1 l 图3 2f p g a 的实现流程1 2 目日4 1j p e gd e c o d e ri pt o p 1 5 图4 2各个模块之间的关系1 6 图4 - 3j p e gd e c o d e ri p 的时序图。1 6 图4 - 4 s t r e a mp a r s e r 的模块接口2 5 图4 5h e a dp a r s e r 的时序2 7 图4 6 e c sp a r s e r 的时序图2 7 图4 7 s t r e a mp a r s e r 流程图2 8 图4 8状态机跳转图3 0 图4 - 9未确定标识状态下的实现码流分析的流程图3 l 图4 1 0e s cp a r s e r 的流程图3 2 图4 1 lm a r kp r o c e s s 3 3 图4 1 2n o m a r kp r o c e s s 3 4 图4 1 3h u f f m a n 解码重启控制图3 6 图4 1 4h u f f m a n 解码流程图3 7 图4 1 5 最小码的处理3 8 图4 1 6 并行检测流程图。3 8 图4 1 7 解a m p l i t u d e 的流程图3 9 图4 1 8 解r u n s i z e 流程图4 0 图4 1 9 结构框图4 0 图4 2 0h u f f m a nd e c o d e r 模块的时序图4 2 图4 2 1h u f f m a n 解码流程4 3 图4 2 2h u f f m a n 硬件实现流程4 3 图4 2 3 累加器工作流程4 5 图4 2 4s h i f t 6 4 实现流程4 6 图4 2 5h u f f m a n 仿真波形4 6 图4 2 6i q 的接口图。4 8 图4 2 7i q 的时序图4 9 图4 2 8 i q 的流程5 0 图4 2 9i d c t 的算法5 l 图4 3 0i d c t 的接口图5 2 v l 图4 - 3 1i d c t 模块的整体结构5 3 图4 - 3 2i d c t 模块的流程图5 3 图5 - l布局布线之后的报告5 6 v i i 表格清单 表2 1 亮度矩阵。8 表4 1 标记赋值1 8 表4 - 2 亮度量化表2 0 表4 _ 3 色度量化表2 l 表4 4s t r e a mp a r s e r 接口说明表2 5 表4 5 状态转换条件3 0 表4 - 6h u f f m a n 模块的接口说明4 l 表4 7i d c t 的计算列表 表4 8i d c t 的流水线结构。5 2 表4 9 综合结果5 3 v i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果也不包含为获得金胆王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 匿王业太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 方辩婵 签字日期：加t r 7 年牛月竹日 学位论文作者毕业后去向：上埯 工作单位：冠j _ 走丰寺侔 翮徽。中 签字日期：复械严产脚日 电话 邮编 致谢 本论文是在导师叶兵教授悉心指导下完成的叶老师不仅学识渊博、 治学严谨，而且待人诚恳，平易近人。叶老师对科学的严谨认真的态度和 高尚的品德，都是我学习的楷模，必将使我终身受益。衷心感谢导师的培 养、支持和教诲。近三年来，叶老师在我的学习、科研和管理工作方面给 予了精心的指导，在生活方面给予了充分的关心和爱护，在我在外实习期 间仍然很关心我的学业，在此表示衷心的感谢! 感谢我的实习公司的同事在工作和学习中给予我的指导，在本文的整 个写作过程中，提供了相当有价值的帮助，并阅读了本文，提出了宝贵的 修改意见 感谢我的同学秦刚，林琳的关心和帮助。 感谢贺姗、王晓娟、许海辉、耿罗锋，李楠等同学，他们陪我度过了 研究生阶段的美好时光 特别感谢我的父母多年来的培养、帮助、关心和支持。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友们l l l i 作者：方婵婵 2 0 0 7 年4 月 第一章绪论 微电子技术是上世纪以来发展最为迅速的高新技术。1 9 4 8 年巴丁、布莱顿 等人发明了世界上第一个晶体管，1 9 5 9 年美国德仪公司发明出第一个集成电 路，上面只有4 个晶体管，1 9 6 7 年诞生了单片集成度在1 0 0 0 个晶体管以上的 集成电路，从此集成电路由中小规模时期进入大规模时期。 2 0 世纪7 0 年代以来，由于c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ， 互补型金属氧化物半导体) 工艺的发展，使得c m o s 器件不仅具有很高的集成度， 而且工作速度达到甚至超过了t t l ( t r a n s i s t o r t r a n s i s t o rl o g i c ，三极管一 三极管逻辑电路) 电路的性能。1 9 7 7 年。美国科学家在3 0 m m 2 的硅片上集成了 1 3 万个晶体管，制作出了世界上第一块6 4 k b i t 的d r a m ( 动态随机存储器) ，标 志着集成电路进入了超大规模时代 从集成电路加工的最小尺寸来看，2 0 世纪8 0 年代，集成电路加工的最小 尺寸是微米级，9 0 年代初是亚微米级( 0 5 u m l u m ) ，现在已经达到9 0 n m 并正 向6 5 n m 前进。 随着微电子加工技术的发展和设计水平的提高，在单颗芯片上集成电子系 统中所有元件有了可能，于是出现了系统芯片s o c ( s y s t e mo nac h i p ) 电子 系统的设计方法也从原来的p c b ( 印刷电路板，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 级发 展到了s o c 级。 1 1s o c 设计、验证与i p 核重用 s o c 是微电子设计领域的一场革命，它是指在单一芯片上实现的数字计算 机系统，该系统硬件部分包括c p u 、r o m r a m 、i o 端口等计算机系统的基本部 件，软件部分主要指操作系统，也可以包括重要的应用软件曲”。 s o c 芯片作为集成电路产业中的新技术，它与传统的a s i c 芯片 ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，专用集成电路) 相比，有如 下优点嘲： ( 1 ) 增加功能：从单一功能增加到多种功能。 ( 2 ) 提高性能指标：s o c 是从整个系统的角度来进行设计的，在相同的工艺 条件下可以达到更高性能的系统指标，在实现相同功能的情况下所需的晶体管 数目可降低2 3 个数量级。 ( 3 ) 缩短产品上市时间，以获取更多的利润。 ( 4 ) 降低功耗，提高抗电磁干扰和系统可靠性。 ( 5 ) 降低成本：s o c 要集成多种功能模块，通过购买第三方的知识产权( i p ， i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) ，可以提高设计效率，节约开支。 正是由于s o c 芯片的这些优点，使得我们在进行s o c 设计时所采用的方法 必然会与a s i c 的设计方法有所区别 1 1 1s o c 设计 s o c 作为一种复杂的系统级芯片，它具有如下这些特性n 1 ： 实现复杂系统功能的大规模集成电路； 采用超深亚微米工艺技术： 使用一个或多个嵌入式c p u 或数字信号处理器； 具备外部对芯片进行编程的能力； 主要采用i p 重用进行设计 从上述s o c 的特性来看，s o c 中包含了微处理器微控制器、存储器以及其 他专用功能逻辑，但并不是包含了微处理器、存储器以及其他专用功能逻辑的 芯片就是s o c 。s o c 技术被广泛认同的根本原因，是s o c 可以用较短的时间被设 计出来，这是s o c 的主要价值所在，即缩短产品的面市时间。因此，s o c 其实 是在一个芯片上由于广泛使用预定制模块i f ( i n t e l l e c t u mp r o p e r t y ) 而得 以快速开发的集成电路。从设计上来说，s o c 设计是一个通过设计复用来达到 高生产率的硬件一软件协同设计的过程从方法学的角度来看，s o c 设计涉及到 i p 核可复用设计测试方法及接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系 统芯片验证和测试方法学幢1 。 1 1 2i p 核设计及重用 s o c 设计的基础是i p 核设计及重用技术s o c 芯片是一个复杂的系统，如 果完全从零开始来实现整个芯片的设计，显然要花费大量的人力物力，势必会 耽误产品面市时间，影响产品竞争力为了加快s o c 芯片的设计速度，越来越 多的设计公司将已有的i c 电路设计成一个个的模块，在s o c 芯片设计中被调用， 从而简化s o c 芯片的设计，缩短设计时间。这些可以反复调用的模块就叫做i p 核“1 当然不是所有的i c 电路都可以作为i p 核，为了满足s o c 设计要求，i p 核 必须有以下四个特征： l 、必须是符合设计重用要求，并按嵌入式专门设计的。 2 、必须经过多次优化设计，使芯片在面积、性能、功耗等方面达到最 优。 3 、必须是允许很多家公司在支付一定费用后被商业运用的 4 、必须符合i p 标准。为了规范接口，提高复用效率，1 9 9 6 年9 月，世 界3 5 个著名公司组成了一个国际性的组织一虚拟插座接口联盟 v s i a ( v i r t u a ls o c k e ti n t e r f a c ea l l i a n c e ) ，该联盟负责i p 核标准化工 作 i p 核供应商提供的i p 可以有三种形式：软核、固核和硬核“1 2 软核是用硬件描述语言描述的可综合的电路功能模块，它不涉及具体的物 理实现，灵活性较好。固核是基于特定工艺库综合出来的网表，在结构、面积 和性能安捧上都进行了初步优化，它介于软核与硬核之间。硬核是基于特定工 艺的版图库生成的物理版图，对频率、功耗、面积等方面作了充分的优化，但 由于硬核依赖于一定工艺，所以灵活性较差，不便于移植。 可重用i p 核设计流程如图卜1 所示为了将i p 核方便地集成到不同的s o e 芯片中，在设计中一般尽量将i p 核接口部分和功能部分分开，单独作为一个模 块进行设计，当s o c 片内总线的协议不同时，只需修改接口部分就可以复用了， 这种方法非常灵活m ， 图1 1 可重用i p 核设计流程 1 1 3s o c 验证 对于s o c 设计而言，不仅在规模上与传统的芯片有着很大的差别，而且在 设计方法上也有着本质的不同。对于结构复杂的系统芯片( s o c ) ，如何在设计 的前期阶段就能消除设计的功能缺陷( b u g ) ，保证一次流片成功率，节约流片 成本，加快芯片面市时间( t i m et om a r k e t ，t t m ) ，是设计者必须解决的关键 问题。验证( v e r i f i c a t i o n ) 就是解决手段之一，它是发现设计缺陷，确保设 计成功的重要措施伸， 由于s o c 设计是一种面向集成的设计，它包含了系统设计和模块设计，简 单地说，就是将一个系统划分成若干模块，然后再将若干个这些经过验证的模 块集成起来形成系统的过程，因此，s o c 验证通常包括模块验证和系统验证两 个部分。 1 模块的单独验证。一个复杂的系统芯片总是由若干个模块组成一般来 说，s o c 中所用的模块可能大量来自于第三方的i p 模块，但总有一些模块需要 自己设计在模块设计中要涉及三个层次，即r t l 级、门级以及物理级。因此， 模块单独验证要分别在这三个层次上进行在s o c 中，模块的输入输出要么是 芯片的外部输入输出，要么是模块与模块之间的接口，但更多的是来自芯核 ( m c u 、m p u 、d s p 等) 的数据或控制信号，因此在构造模块的单独验证环境 时，一般用总线功能模型b f m ( b u sf u n c t i o nm o d e l ) 来替代芯核完成对模块 的控制任务。在r t l 级模块的单独验证主要是针对模块的逻辑功能，一般采用 动态仿真策略。接下来，模块被综合成门级网表，该门级网表中包含了器件的 延迟信息，此时先采用动态仿真技术，检查在包含一定延迟情况下模块功能是 否正确，再进行静态时序分析，检查设计中是否存在时序问题。在模块通过门 级验证之后，就要进行布局布线，并对模块进行时延信息反标，再次进行仿真 和时序分析，这就是所谓的后仿真完成这些任务后，还要进行最终的物理验 证，物理验证主要侧重于设计规则检查，一般采用l v s ( l a y o u tv e r s u s s c h e m a t i c ) 以及d r e ( d e s i g nr u l ec h e c k i n g ) 工具来验证最终物理设计的正 确性1 7 1 。 2 系统验证。s o c 的设计分为系统结构分析及划分阶段和系统集成两个阶 段，而在这两个阶段都需要进行系统验证。在系统结构分析及划分阶段进行的 系统验证是为了确保我们设计所采用的系统结构是可行的，如果这个阶段都无 法通过，后面所做的工作都是徒劳无益的。当一个模块进行了严格的单独环境 的验证以后，还需将它集成到系统中进行系统验证因为模块的单独验证只能 说明模块本身的功能是正确的，而它与其它模块之间的接口以及模块与模块之 间信号相互传递是否正常还需要验证。这些就是芯片系统级验证所要完成的主 要任务【5 】。 通常需搭建一个系统验证平台来对s o c 进行系统验证，如何创建一个系统 级的有效的验证平台是s o c 验证的关键，图1 - 2 给出了s o c 验证平台生成的相 应步骤”1 1 根据系统设计规范，抽象出功能要求。 2 根据功能要求设计出相应的测试文件。 3 定义正确和错误的响应 4 判断功能覆盖率是否满足要求 4 图1 - 2 系统级验证平台生成流程 1 2 本论文的内容及意义 通过对j p e g 图像压缩模块进行设计研究，从而掌握基于深亚微米工艺的 中等规模i p 设计的关键技术，对于国内i p 标准化、i p 设计技术的研究都具有 一定的意义【”。 a 对国内i p 标准化的发展起到了推动作用 “虚拟插座接口联盟”( v s i a ，v i r t u a ls o c k e t i n t e r f a c e a l l i a n c e ) 成立于1 9 9 6 年9 月， 是一个旨在推动s o c 产业快速发展，促进片上多模块有效、快速集成、验证和 测试的一个国际权威i p 标准化组织。通过研究v s i a 颁布的规范文件和会议记 要，结合国内i c 的发展状况，进行国内i p 标准的尝试 在p c 机系统中，虽然不同厂家的板卡使用不同的内部电路设计，但各种板 卡都可以完全互换。i p 接口标准化就是为了实现s o c 领域内的这种互换性互 换性是i p 接1 3 标准化研究工作的纲要【7 1 。 b 为i p 设计提供了实践经验【9 】 在以往的几十年里，我国i c 设计业一直面对着“或者设计出整个奔腾，或 者完全被排 除在设计之外”的尴尬局面i c 设计业的最新一轮分工为打破这种局面提供了 一个适合我国国情的切入点中等难度和设计规模的i p 。i p 产业的建立必将 从国内和国际两个方面拉动我国i c 设计业。 从国内方面看，我国屡次冲击高端i c 设计都不很成功，原因之一是高端芯 片的电路过于庞大和复杂。而l p 库的建立则把“系统集成”与“功能模块设计” 分开，分散了设计难度和规模。根据p c 机的经验，只要i p 阵容整齐，设计自 主知识产权的高端芯片产品将成为可能。 从国际方面看，i p 产业是进入国际市场的最好切入点。我国以电路算法著 称，将算法与i c 设计结合成为i p 是我国力所能及的，如果引导得当，可以使 我国成为i p 出口大国，从而结束我国i c 设计产业长期落后的态势 i p 技术之所以受到广泛重视的主要原因是它为s o c 的设计提供了有效途 径我国已经有了一定的芯片生产和制造能力，i c 设计业也正在兴起这将对 坚实i c 产业的基础起到积极作用。对改变我国集成电路产业的落后局面和缩短 我国集成电路技术与世界水平的差距，具有极为重要的战略意义。 6 第二章j p e g 简介 多媒体系统中，图像和视频信息占用了相当大的存储空间，给计算机的 存储、访问、处理及在通信线路上的传输都带来巨大的负担但图像和视频信 息存在着大量的冗余，可以采用各种方法进行压缩j p e g 和mp e g 就是常用 的两种压缩标准 在本章节中将会终点介绍j p e g 编解码的标准。j p e g 是当今应用最广泛的 图片格式之一，它采用一种特殊的有损压缩算法，将不易被人眼察觉的图像颜 色删除，从而达到较大的压缩比( 可达到2 ：1 甚至4 0 ：1 ) 】。 2 1j p e g 协议说明 j p e g j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p he x p e r t sg r o u p ) 是1 9 9 2 年c c i t t 正式通 过的连续色调静止图象压缩标准“”。 2 1 1j p e g 编解码标准 j p e g 是联合图像专家小组( j o i n tp h o t o g r a p h i cc o d i n ge x p e r t sg r o u p ) 的缩写。j p e g 已作为i s o 标准公布，是国际上静止彩色图像和灰度图像的第 一个国际标准。j p e g 压缩既采用了有损压缩的方法，又采用了很多无损压缩的 技术，博采各家之长，和相同画质的其他常用文件格式相比，j p e g 是目前静 态图像中压缩比最高的。正因为j p e g 的高压缩比，使得它广泛应用于多媒体 和网络程序中j p e g 有几种模式，其中最常用的是基于d c t 变换的顺序型模 式，又称为基本系统，下面专门讨论这种模式“”。 j p e g 编解码的主要流程如下图1 ： 1 色彩转换：j p e g 使用的颜色是y u v 格式因此，首先将r g b 格式的 图像转化为y u v 格式( 或叫做yi q ，y c r c b 格式) 我们都知道，原始的彩色 图像，一般由红、绿、蓝三种基色的图像组成然而人的视觉系统对彩色色度 的感觉和亮度的敏感性是不同的，在这里，首先介绍一下y u v 格式。 图2 - 1 编解码流程图 7 在这种格式中，y 分量的物理含义就是亮度，u 和v 分量代表了色差信号 y 分量包含了灰度图的所有信息，只用y 分量就完全能表示一幅灰度图，当同 时考虑u 、v 分量时，就能够表示彩色信息。这样一来。用同一种表示方法可 以很方便的在灰度和彩色图之间切换，而r g b 表示方法就做不到这一点。人 眼对于亮度信号非常敏感。而对色差信号的敏感程度相对较弱，也就是说， 图像的主要信息包含在y 分量中。因而，y 的量化级别比u 、v 的量化级别多 一些，即对y 分量采用细量化，对u 、v 采用粗量化，进一步提高压缩比r g b 格式与y u v 格式之问的转化方式是) ： y = 0 2 9 9r + 0 5 8 7g + 0 1 1 4b i u = 一0 1 6 8 7r 一0 3 3 1 3g + 0 5b + 1 2 8 ： v = 0 5r 一0 4 1 8 7g 一0 0 8 1 3b + 1 2 8 ： 2 取样：在转化为y u v 格式后，对图像进行分割这里分割分为m a c r o b l o c k ( 大块) 和b l o c k ( 小块) 。m a c r ob l o c k 是以1 6 1 6 p i x e l s 为单元的，而每 个m a c r ob l o c k 再分割成2 2 的b l o c k 。那么色彩转换和取样处理是以m a c r o b l o c k 为单位，d c t 以及量化是以b l o c k 为单位的，从左到右从上到下的顺序。 m c u ( 最小编解码单元) 就是以取样的y ，u v 的b l o c k 为单元的，不同的y ，u v 取样比例使m c u 的最小组成也是不同的。 3 d c t 变化：在对源图像进行f d c t 计算前，每一取样值要减去1 2 8 。在解码过 程计算i d c t 生成重构图像取样后，需将生成的带符号的取样加上编码时所减去 的值，从而恢复成无符号取样值。当图像数据分成一个8 * 8 矩阵后，每个数值 减去1 2 8 ，然后一一代入d c t 变换公式中，即可达到d c t 变换的目的。图像数 据值必须减去1 2 8 ，是因为d c t 转换公式所接受的数字范围是在一1 2 8 到+ 1 2 7 之 间。压缩时，将原始图像数据分成8 * 8 数据单元矩阵，例如亮度值的第一个矩 阵内容如下表“”： 表2 - l 亮度矩阵 y 0 0y o ly 0 2y 0 3y 0 4y o sy 0 6y 0 7 y l oy i iy 1 2y 1 3y y i sy 1 6y 1 7 y 2 0y 2 1y 2 2y 2 3y 2 4y 2 ，y 2 6y 2 7 y 3 0y 3 l y 3 2y 3 ，y 3 4y 3 5 y ，6y 3 7 y 4 0y 4 ly 4 2 y 4 3 y 4 4y 4 5 y 4 6y 4 7 y s oy 5 iy ，2y ”y s 4y y 5 6y y 6 0y 6 iy 6 2y 的y “ y 6 5y 6 6y 6 7 y 7 0y 7 1y 7 2y 7 3y 7 4y 7 5y 7 6y ，7 d c t 交换公式： 脚加嘶m v 瘗砉他yc o s 号竽咖( 2 y + 6 1 ) a n 弘ov o vv 8 x ，y 代表图像数据矩阵内某个数值的坐标位置 f ( x ，y ) 代表图像数据矩阵内的数个数值 u ，v 代表d c t 变换后矩阵内某个数值的坐标位置 f ( u ，v ) 代表d c t 变换后矩阵内的某个数值 u = 0 且v = 0c ( u ) c ( v ) = i 1 4 1 4 u 0 或v 0c ( u ) c ( v ) = l 经过d c t 变换后的矩阵数据自然数为频率系数，这些系数以f ( 0 ，0 ) 的 值最大，称为d c ，其余的6 3 个频率系数则多半是一些接近于0 的正负浮点数， 一概称之为a c 。 4 d c t 系数的量化：对系数的量化，就是对二维频率系数f ( u ，v ) 进行量化， 量化的目的是对d c t 系数进行压缩量化具体方法是用8 8 量化表除d c t 系 数。按j p e g 标准，每次处理8 * 8 个d c t 系数，因此量化表也是8 * 8 个数值 量化表分亮度量化表和色度量化表两种。将频率系数除以量化矩阵的值，取得 与商数最近的整数，即完成量化当频率系数经过量化后，将频率系数由浮点 数转变为整数，这才便于执行最后的编码。不过，经过量化阶段后，所有数据 只保留整数近似值，也就再度损失了一些数据内容。然后进行z 形扫描，用于 把二维归一化量化系数转换为一维数字序列【1 2 1 5 熵编码( 这里主要介绍的是h u f f m a n 哈夫曼编码) ：h u f f m a n 编码是j p e g 最 常用的编码方式，h u f f m a n 编码通常是以完整的m c u 来进行的。编码时，每 个矩阵数据的d c 值与6 3 个a c 值，将分别使用不同的h u f f m a n 编码表，而亮 度与色度也需要不同的h u f f m a n 编码表，所以一共需要四个编码表，才能顺利 地完成j p e g 编码工作l l ”。 2 1 2j p e g 2 0 0 0 介绍 j p e g2 0 0 0 正式名称为i s 01 5 4 4 4 ，同样是由j p e g 组织负责制定的图像 格式标准并把它作为j p e g 标准的一个更新换代标准。它的目标是进一步改 进目前压缩算法的性能，以适应低带宽、高噪声的环境。j p e g2 0 0 0 之所以相 对于现在的j p e g 标准有了很大的技术飞跃，就是因为它放弃了j p e g 所采用 的以离散余弦变换算法( di s c r e t ec os i n etr a ns f or m ) 为主的区块编码 方式，而改用以离散小波变换算法( di s c r e t e wa v e l e ttr a ns f or m ) 为主 的多解析编码方式。离散小波变换算法是现代谱分析工具在图像处理与图像分 析领域得到了广泛的应用j p e g2 0 0 0 标准提供了一套新的特征，这些特征对 于一些新产品( 如数码相机) 和应用( 如互联网) 是非常重要的。它把j p e g 的 四种模式( 顺序模式、渐进模式、无损模式和分层模式) 集成在一个标准之中， 在编码端以最大的压缩质量( 包括无失真压缩) 和最大的图像分辨率压缩图像， 在解码端可以从码流中以任意的图像质量和分辨率解压图像，最大可达到编 9 码时的图像质量和分辨率由于j p e g2 0 0 0 在很多方面有了改进，它的重要性 也日益显示出来当然，在一些低复杂度的应用中，j p e g2 0 0 0 不可能代替j p e g ， 因为j p e g2 0 0 0 的算法复杂度不能满足这些领域的要求，但是，对于有较好的 图像质量、较低的比特率或者是一些特殊特性的要求( 渐进传输和感兴趣区域编 码等) 时，j p e g 2 0 0 0 将是最好的选择“o 】 2 2 总结 j p e g 主要用于计算机静止图像的压缩，在用于活动图像时，其算法仅限于 帧内，便于编辑。采用j p e g 标准可以得到不同压缩比的图像，在使图像质量得 到保证的情况下，可以从每个像素2 4 b i t 减到每个像素l b i t 甚至更小 j p e g 为照片存储和传输而生，有损压缩距阵会去除一些图像信息。j p e g 压缩利用了人类视觉感的特殊纵横比：我们对色彩的变化感觉要比对亮度变化 感觉要弱。 j p e g 的缺点是边缘不清晰，它往往会使图像边缘变得模糊。j p e g 压缩会减 少图像的色彩范围，在一些情况下，使用高压缩后，图像的总体色调会受到影 响。它比较强调某一色彩。 为了解决j p e g 的现存问题。从1 9 9 8 年开始，专家们开始为下一代j p e g 格式出谋划策，专家们将新标准命名为j p e g2 0 0 0 ，整个标准的框架在1 9 9 9 年 已经完成，2 0 0 0 年将细节加以完善后出炉j p e g2 0 0 0 之所以成为众望所归的 新标准，是因为它相对于现在的j p e g 标准有了很大的技术飞跃，具体地讲， 它采用的是一种在信号分析领域具有优势的w a v e l e t 技术 离散子波变换算法是现代谱分析工具，在包括压缩在内的图像处理与图像 分析领域正得到越来越广泛的应用这种算法对于时域或频域的考察都采取局 部的方式，所以对于非平稳过程也一样十分有效。子波在信号分析中对高频成 份采用由粗到细渐进的时空域上的取样间隔，所以能够像自动调焦一样看清远 近不同的景物，并放大任意细节，是构造图像多分辨率的有力工具在子波变 换算法中，图像转换成一系列可更加有效存储像素模块的“子波”，其压缩比 可在现在的j p e g 基础上再提高1 0 3 0 ，而且压缩后的图像显得更加细腻平 滑。 即使如此，j p e g 2 0 0 0 标准的颁布与实际生活中的大量应用毕竟还有一定的 时间距离，在我们期待j p e g2 0 0 0 标准能早日代替j p e g 标准的同时，也盼望众 多相关的厂商早日将真正的应用带给我们而在此之前，我们还得耐心地使用 现有的j p e g 标准“”。 i o 第三章3 p e g 图像编解码系统 在移动平台图像压缩传输时，信道衰落是相当严重的，为了避免误码扩散 而导致图像质量下降失真，可以采用无帧预测的j p e g 算法，这样图像的分辨率 和帧率可以根据信道的变化而变化为了同时满足图像压缩的实时性、可靠性 和灵活性的要求，需要用硬件的方式来完成j p e g 算法。通常我们会用两种方式 实现硬件图像解码，一种是由软件来做头部解析以及表的提取，软件分析文件 头部产生控制寄存器设置，分离表的数据与e c s 数据；另一种是全部由硬件实 现包括头部分析，表的提取，数据解码。这两种方式各有优势。软件实现可以 更灵活，但是会增加c p u 的负担；硬件实现可以减少c p u 负担，这对基于s o c 这样的一个设计环境来说是很适合的。本文是基于s o c 设计的j p e gd e c o d e ri p 3 1j p e g 编解码系统的总体设计 下面介绍j p e 6 解码系统的设计，j p e g 图像压缩解码芯片将在后续章节详 细介绍。如图3 一l 所示，系统主要由j p e 6 编码器、j p e g 解码器、信道编码器 和解码器，以及两个缓存，两个码流缓冲和两个比特率控制器组成。其中输入 图像为采集并经过数字化处理的数字灰度图像，由于彩色图像相当于3 幅灰度 图像，所以这里仅研究灰度图像：缓存为片外高速r a m ，用于完成暂存原始图像 或恢复图像的功能。j p e g 解码器用自行设计的可编程逻辑器件f p g a 来完成：出 码流缓冲、编码比特率控制和信道编码以及入码流缓冲、解码比特率控制和信 道解码分别用两个逻辑器件来实现“”。 图3 - 1j p e g 系统 设原图像一帧包含8 n * 8 m ( 行宰列) 个灰度像素，输入到外围的缓存，缓存至 少能够存储一帧图像，即容量大于6 4 n m 8 比特，并且按照8 8 块的顺序存储， 将像素值按先行后列的顺序输入到j p e g 编码单元进行图像压缩。 当j p e g 用于对活动图像的实时编码和传输时，由于信道是固定比特率的， 而j p e g 的输出比特流是可变比特率的，需要在编码器的输出端和信道之间的接 入一个数据缓冲器，控制码流以固定的比特率输入到信道。为了保证缓冲器不 发生溢出或空出，还要增加控制器，实时的按照该缓冲器的情况调整控制因子 q 来控制j p e g 的编码质量，进而控制编码比特率，以适应用户或信道的需要。 这样，q 必须作为一个编码参数和编码比特流一起传输给解码器。 解码器接受到输入码流后，解码并输出工d c t 后得像素值，存入缓存。外 围的显示终端或存储设备可从缓存中读取解码后的恢复图像。 本文主要讨论j p e g 解码器的设计，有时候为了说明解码器也会必要的涉及 到编码器的一些工作原理其他具体模块的设计将在后面的章节中具体说明 设计要达到的以下要求：保证功能正确：采用一定的技术以满足性能需求： 最小化面积：硬件设计是可重用的坤】。 图3 - 2f p g a 的实现流程 设计方法采用自顶向下的新兴的e d a 设计方法即从系统的总体要求出发， 把系统划分为基本单元，自上而下的逐步将设计内容细化，把每个基本单元划 分为下一层次的基本单元，一直这样做下去，直到可以直接用e d a 元件库中的 元件来实现，最后完成系统硬件的整体设计。 它有以下几种特点：在设计周期伊始就做好了系统分析，电路设计更趋合 理，降低了硬