该系统在结构上分为3层:系统硬件平台、操作系统和基于IDCT解码算法。最底层是系统硬件平台,是系统的物理基础,提供软件的运行平台和通信接口。系统的硬件平台在Altera的Nios II Cyclone嵌入式系统开发板上实现,显示器采用VGA标准的显示器,可输出大小为640?80像素、分辨率为500 dpi的24位真彩色图像。第2层是操作系统,采用uCOS II。uCOS II是一个基于抢占式的实时多任务内核,可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性。这一层提供任务调度以及接口驱动,同时,通过硬件中断来实现系统对外界的通信请求的实时响应,如对以太网数据流传输的控制、对串口通信的控制等。这种方式可以提高系统的运行效率。最上层是JPEG图像解码核心算法的实现。该算法高效地对压缩图像数据进行解码处理和空间域的转换。采用C语言在Nios II的集成开发环境(IDE)中实现。
2 系统硬件的设计与实现
2.1 NiosⅡ 嵌入式软核处理器简介
Nios II嵌入式处理器是Altera公司于2004年6月推出的第2代用于可编程逻辑器件的可配置的软核处理器,性能超过200 DMIPS。基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核,Nios II能与用户逻辑相结合,编程至Altera的FPGA中。处理器具有32位指令集,32位数据通道和可配置的指令以及数据缓冲。它特别为可编程逻辑进行了优化设计,也为可编程单芯片系统(SoPC)设计了一套综合解决方案。Nios II处理器系列包括3种内核:一种是高性能的内核(Nios II/f);一种是低成本内核(Nios II/e);一种是性能/成本折中的标准内核(Nios II/s),是前两种的平衡。本系统采用标准内核。
Nios II处理器支持256个具有固定或可变时钟周期操作的定制指令;允许Nios II设计人员利用扩展CPU指令集,通过提升那些对时间敏感的应用软件的运行速度,来提高系统性能。
2.2 硬件平台结构
系统的硬件平台结构如图2所示。本系统采用USB至UART桥接器CP2102实现与上机位的通信。由Silicon Laboratories推出的CP2102,使RS232升级到USB接口更加简单,原先采用RS232串口通信方案的设备在软件上无需作改动即可直接升级到USB。CP2102内建EEPR0M、稳压器、USB收发器和整合式内部振荡器。这套组件还包含完整的USB2.0全速(ful1.speed)装置控制器、桥接控制逻辑以及传送/接受缓冲器和调制解调器商议讯号(handshake signa1),这些功能全都整合至5 mm? mm的小型封装内。图像数据传输的流程是:首先初始化串口UART的各个寄存器,主要是接受寄存器(rxdata)、发送寄存器(tx.data)、状态寄存器(status)、控制寄存器(contro1)、波特率分频器(divisor)等;然后传输等待,图像数据以1 15 200 bps的速率进人数据寄存器,再通过DMA存入Flash。
本系统硬件平台主要是在Nios II Cyclone嵌入式开发板上实现。系统的主要组件,包括Nios II的标准内核、片内存储器、UART、DMA控制器、并行I/O接口、Avalon总线、定时器等都集成在一块Ahera的cyclone FPGA芯片上,使用SoPC Builder来配置生成片上系统。
SoPC Builder是功能强大的基于图形界面的片上系统定义和定制工具。SoPC Builder库中包括处理器和大量的IP核及外设。根据应用的需要,系统选用Nios II Processor、On Chip Memo~、Flash Memo~(Common Flash Interface)、SDRAM Controller、UART、DMA、Interval timer、Seven Segment PIO、Avalon Tri StateBridge、Ethernet Interface等模块。对这些模块配置完成后,使用SoPC Builder进行系统生成。SOPC Builder自动产生每个模块的HDL文件,同时自动产生一些必要的仲裁逻辑来协调系统中各部件的工作。
预处理算法需要识别不同的标记码,并提取标记码中的有用信息。JPEG图像文件可分为2个部分:压缩数据和标记码。压缩数据是以MCU(最小编码单元)形式存储的经过压缩编码后的数据。标记码给出了诸如图像长度、宽度、量化表、Hufman表等重要信息,而这些信息都包含在不同类型的标记码中。对一个MCU进行Hufman解码,需在完成亮度解码后才能进行色度解码。解码后得到6个具有64位元素的一维数组,分别是:4个Y亮度数组、1个cb色度数组、1个cr色度数组(4:1:1模式)。对一个数组来说,Huffman解码包括直流解码和交流解码。对数组第一个元素的解码称为直流解码(简记为DC解码),对剩下的63个元素的解码称为交流解码(简记为AC解码)。JPEG文件中一般包含4个Hufman表,即亮度DG表、AC表,色度DC表、AC表。一个Huffman码包括码头和码值2部分,码头用来惟一的标识该Hufman码,并与Hufman表一一对应,码值是该码的实际大小。
量化运算需要量化表的配合。从JPEG文件中读取的量化表一般有2个,分别用2个64位元素的一维数组来存储,用于对亮度和色度进行反量化。反量化运算就是将上面经Huffman解码得到的数组中的元素与量化表中对应位置元素相乘。为了进行后面的IDCT,还需要将完成反量化运算的数组进行z字型变换,将一维数组变换成8?的二维数组。
IDCT变换直接利用自定制指令快速完成8?的二维数组的离散余弦反变换。后续处理的任务之一就是完成颜色空间的转换,即将JPEG图像数据的Y、cb、cr颜色空间转换为RGB颜色空间。但是,为了使计算出的R、G、B的值都是正数,需要对Y、cb、cr分别加128进行修正,同时乘法运算出现了浮点数,故需要对浮点数进行定标处理.
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