高世明，孟令軍，李寶剛，賈至江

（中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

目前JPEG解碼有兩種方式：硬件解碼和軟件解碼。硬件解碼是利用專門的芯片來完成對JPEG圖像數(shù)據(jù)的解碼；軟件解碼則是通過相應的程序來完成對數(shù)據(jù)的還原。由于軟件解碼需要大量的浮點運算，因此目前大多采用ARM或DSP來實現(xiàn)[1]，但是此類方法電路設(shè)計復雜，且并行處理能力較差，基于此，筆者提出了一種基于NiosII多核處理器的JPEG解碼的方法，本設(shè)計在Altera Cyclone II EP2C35F672C8芯片上實現(xiàn)多軟核系統(tǒng)，利用FPGA芯片的并行處理結(jié)構(gòu)以及兩個Nios II軟核處理器間的并行處理和協(xié)作，來完成JPEG的解碼過程，并通過加入自定義模塊來提高系統(tǒng)性能。

1 NiosII雙核處理器系統(tǒng)

NiosII多軟核系統(tǒng)分為兩種：獨立多軟核與資源共享型多軟核。獨立多軟核處理器之間是完全獨立的，各個處理器之間完全沒有通信，所以在提高系統(tǒng)性能方面很有限[2]。本設(shè)計采用的是資源共享型多軟核，處理器間通過共享資源來實現(xiàn)信息交互，形成一個完整的系統(tǒng)。

1.1 NiosII雙核處理器系統(tǒng)的配置

本系統(tǒng)有兩個NiosII軟核處理器，每個處理器都有獨立的定時器和片上RAM指令存儲器。定時器用作系統(tǒng)看門狗，可有效地防止處理器進入異?；蛩姥h(huán)。每個NiosII處理器的啟動程序和任務程序都存放在指令存儲器中，因為實現(xiàn)并行處理時，每個CPU核不一定執(zhí)行相同的功能，所以，每個處理器必須具有獨立的指令存儲器。雙核NiosII處理器系統(tǒng)中，必須要把其中一個處理器設(shè)置為主CPU來負責控制和調(diào)度整個系統(tǒng)，以及FPGA與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，在本系統(tǒng)中，設(shè)置CPU1作為主要的處理器。因此，處理器CPU1配置有PIO接口和JTAG-UART接口，JTAG-UART接口將用于整個系統(tǒng)的調(diào)試。UART接口（RS-232）被配置在CPU2用于在應用軟件程序調(diào)試時監(jiān)測CPU2的狀態(tài)。另外，為了處理尺寸較大的圖片，需要有片外存儲器的支持，因此本設(shè)計中配置了一片SDRAM存儲器，通過SDRAM控制器與Avalon總線相連。NiosII雙核處理器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.2 共享存儲器的處理

為了實現(xiàn)兩個處理器對應用程序任務的并行處理，系統(tǒng)必須為兩個處理器提供有效的共享機制來處理數(shù)據(jù)和進程信息。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，系統(tǒng)配置提供了兩種存儲器的共享[3]。一個小型的共享存儲體（Process Message Memory）可用于傳輸一些簡單的進程信號，其目的是溝通處理器之間的狀態(tài)。一個共享的片上RAM存儲器（JPEG Data Memory）連接到兩個處理器以提供處理數(shù)據(jù)的共享。本系統(tǒng)由兩個NiosII軟核處理器組成，它們集成構(gòu)成一個硬件處理系統(tǒng)，因此，本系統(tǒng)只需要一個系統(tǒng)ID號。當兩個處理器核共享片上數(shù)據(jù)存儲器，兩個處理器都會對此存儲器執(zhí)行讀取和寫入操作，這構(gòu)成一個關(guān)鍵的問題是如何在確保系統(tǒng)正確地執(zhí)行讀寫操作的同時存儲器中的數(shù)據(jù)不會被損壞。為此硬件Mutex核被嵌入本雙核處理器系統(tǒng)。Mutex的意義是“相互排斥”，硬件Mutex核正是執(zhí)行了這樣的任務。Mutex核使得系統(tǒng)中兩個處理器同時只能有一個來訪問共享存儲器。這在多個Avalon總線設(shè)備嘗試同時存取存儲器時，對保護共享存儲器的數(shù)據(jù)是非常有用的。Mutex核作為共享資源提供一個“測試和設(shè)置”操作。如果處理器核測試到Mutex是可用的，那么它將在一個操作中占用Mutex。處理器完成對存儲器的操作后就釋放此Mutex。應用程序通過調(diào)用Mutex硬核的API函數(shù)來實現(xiàn)對共享存儲器的互斥訪問。若不使用硬件Mutex核，這種功能通常需要兩個單獨的“測試”和“設(shè)定”指令來完成。而在此“設(shè)定”指令完成之前，另一個處理器也會“測試”共享資源的可利用性。有時會使兩個處理器認為它們都成功地占有了共享資源，從而造成共享數(shù)據(jù)的破壞。

圖1 NiosII雙核處理器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 JPEG解碼過程的并行處理

2.1 基于反離散余弦變換的JPEG解碼過程

圖2是基于反離散余弦變換的JPEG解碼過程框圖，本雙核JPEG解碼處理系統(tǒng)是針對JFIF格式的，首先讀入JFIF的頭文件，頭文件中有一系列相應的標記對應于存儲JFIF文件的結(jié)構(gòu)體信息，如圖像的尺寸，量化表和霍夫曼表，水平/垂直采樣因子等[4]。熵編碼是基于二叉樹形成霍夫曼表壓縮存儲的數(shù)據(jù)，它使用霍夫曼表恢復壓縮的圖像數(shù)據(jù)為1直流分量和63交流分量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)代表了圖像像素的色彩構(gòu)成編碼。反量化操作利用量化表對量化值進行譯碼，它利用系數(shù)矩陣為放置在8×8數(shù)據(jù)塊中的相應位置的64個色彩分量生成乘積矩陣。JPEG文件里一般含一個亮度分量的量化表和一個色度分量的量化表，反量化就是對熵解碼出來的系數(shù)矩陣乘上相應的量化矩陣，得出相應的色度和亮度矩陣。反離散余弦變換（IDCT）是將色彩矩陣由頻域空間轉(zhuǎn)換到時域空間，并且在執(zhí)行完反離散余弦變換之后，在時域空間中的矩陣仍然是8×8的數(shù)據(jù)塊[5]。最后，為了顯示在屏幕上，圖像必須以RGB的編碼模式出現(xiàn)，因此，JPEG解碼的最后一步是把色彩的表現(xiàn)形式從YUV模式轉(zhuǎn)換到RGB模式。

圖2 JPEG解碼過程框圖

2.2 NiosII解碼過程的并行處理

圖3是雙核系統(tǒng)的并行處理過程框圖，其中虛線框表示CPU1的處理過程，實線框表示CPU2的處理過程。由圖3可知，第一步兩個處理器分別加載量化表和霍夫曼表。對于彩色圖像，它至少有兩個量化表和兩個霍夫曼表對應于Y亮度分量和UV色度分量。當數(shù)據(jù)加載完成后，CPU1作為主處理器將在量化表編號，霍夫曼表編號和YUV色彩分量之間完成關(guān)系映射。在第二步中，該系統(tǒng)將實現(xiàn)解碼過程。它是基于每個8×8的數(shù)據(jù)塊，每個處理器核執(zhí)行基于離散余弦變換的解碼過程，具體步驟如下：1）熵解碼。依據(jù)霍夫曼表恢復1個直流分量和63個交流分量，然后形成8×8的色彩分量矩陣。2）反量化。它利用量化表來實現(xiàn)反量化表操作。基于此操作，每個色彩分量的值被恢復出來。3）反離散余弦變換。這一操作將色彩矩陣中的色彩分量從頻域空間轉(zhuǎn)換到時域空間。兩個NiosII處理器核以并行處理的方式，并以8×8的數(shù)據(jù)塊為單位，執(zhí)行上述三項操作。這里應該注意的是，由于對每個8×8的數(shù)據(jù)塊的霍夫曼表長度都是改變的，所以在霍夫曼表中不能預測下一個8×8數(shù)據(jù)塊的起始位置，因此，CPU2只有在CPU1完成前面一個數(shù)據(jù)塊的熵解碼之后，才能夠開始執(zhí)行熵解碼操作。第三步的主要任務是把色彩分量的編碼方式由YVU轉(zhuǎn)換到RGB。CPU1將從存儲數(shù)據(jù)的起始開始執(zhí)行，CPU2從存儲數(shù)據(jù)的尾部開始執(zhí)行。這樣，這兩個NiosII處理器就可以并行工作。重構(gòu)后的解碼數(shù)據(jù)由主處理器CPU1通過RS-232傳輸給主控計算機。

2.3 自定義功能模塊及性能分析

圖3 雙核處理器并行處理過程框圖

由于YUV到RGB轉(zhuǎn)換對每個像素每次都執(zhí)行對存儲器的讀寫操作，這部分轉(zhuǎn)換操作約占總解碼時間的30%，這樣對存儲器的存取操作顯然會引起明顯的功耗增加。基于此，筆者提出了一種在系統(tǒng)中集成自定義模塊來定向處理YUV到RGB轉(zhuǎn)換的方法，該方法利用HDL語言來編寫模塊的功能，經(jīng)過編譯、仿真、驗證和測試后，能夠生成相應的功能模塊，將此模塊集成到NiosII雙核處理器系統(tǒng)中，來實現(xiàn)執(zhí)行相關(guān)硬件的功能[6]。這樣由YUV到RGB轉(zhuǎn)換操作就由特定的硬件模塊來執(zhí)行，不同于全部的運算都依賴于NiosII處理器，自定義功能模塊有效減少處理器核的工作量，整個系統(tǒng)的運算速度也有明顯提高。表1是幾種不同尺寸的圖像在有自定義模塊的系統(tǒng)和無自定義模塊系統(tǒng)中性能提升的比較表，表中每個系統(tǒng)都以50 MHz的時鐘頻率運行，通過記錄兩個系統(tǒng)實際執(zhí)行解碼任務的時鐘周期數(shù)，就可得出處理器系統(tǒng)性的對比結(jié)果，由表1可知NiosII雙核系統(tǒng)集成了YUV到RGB自定義模塊后，系統(tǒng)的性能大約提高了15%，比普通單核系統(tǒng)處理速度提高了大約40%。

3 結(jié)論

筆者以NiosII雙核處理器為平臺，實現(xiàn)了JPEG解碼的并行處理，并且利用可編程片上系統(tǒng)（SoPC）的特點設(shè)計了JPEG解碼中YUV到RGB轉(zhuǎn)換的自定義功能模塊，并成功將此模塊集成入NiosII處理器系統(tǒng)中，縮短了解碼過程的時間，并在很大程度上提高了整個系統(tǒng)的性能。設(shè)計中充分發(fā)揮了SoPC技術(shù)的優(yōu)勢，可以預測，基于NiosII的多核處理器系統(tǒng)必將具有良好的應用前景。

表1 NiosII雙核系統(tǒng)性能提升表

[1]YIN Ruixiang，SIU Wanchi.A new fast algorithm for computingprime-length DCT through cyclic convolutions[J].signal proce-ssing，2001，81（5）：896-906.

[2]沈勝慶.嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核研究[J].微計算機信息，2006（2）：72-74.

[3]RAVINDRAN K， SATISH N， JIN Yujia， et al.An FPGA-based soft multiprocessor system for IPv4 packet forwarding[J].Field Programmable Logic and Applications，2005（8）：487-492.

[4]位娜，卞春江，胡鈦.基于SOPC的通用圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2009（6）：290-291.

[5]張春田，蘇育挺，張靜.數(shù)字圖像壓縮編碼[M].北京：清華大學出版社，2006：1.

[6]蔡偉綱.Nios II軟件架構(gòu)解析[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007：11.

[7]楊金元.嵌入式操作系統(tǒng)實時內(nèi)核分析[J].電視技術(shù)，2003，27（7）：53-55.