2.2 乘法器模块的硬件设计

   从式(1)的模板运算表达式和式(2)的FIR滤波器表达式可以看出，完成模板运算和实现FIR数字滤波还有一个重要的环节，就是乘法运算。乘法器模块是影响空域滤波算法的运算速度的关键模块之一。

   乘法运算基本上可以分为两步：一是求出所有的基本乘积项，二是将所有的基本乘积项相加。因此，要设计快速的乘法器电路模块，就要针对这两步进行改进，一方面要减少部分积的数目，同时另一方面要提高部分积求和阵列的累加速度。因此，为了加快乘法器模块的运算速度，在设计乘法器电路时，特别考虑到了采用基4-BOOTH算法来减少部分和的数目，同时采用Wallace Tree减少阵列乘法器中部分积加法阵列的进位传输延迟，加快整个加法阵列的运算速度。

   基4-BOOTH算法的基本原理是对乘数进行编码，根据编码表来产生部分积，一次只考虑3位：本位、相邻高位、相邻低位。Wallace Tree比较规则，易于布局布线，这种方法不是直接将所有的部分积完全的一对一地相加，而是采用将各个部分积中具有相同权重的数据位相加合并。通常采用全加器(Full Adder)来完成相同权重的位相加。采用一位全加器，那么Wallace树的每一层，就可以将部分积的向量数目按照3：2的比例缩减。也可以采用2个全加器，来获得4：2的缩减比例。本文中采用3：2计数器(全加器)来进行部分和缩减，这样当部分积的数目很多时，采用Wallace Tree乘法器来缩减部分和速度很快。

3 仿真综合结果

   第2节介绍了本文中在FPGA平台上设计实现数字图像空域滤波算法的高速数字滤波器FIR的过程，其中主要考虑的是缩短关键路径、提高数据吞吐率。本节给出仿真和综合后的结果比较表。本文中，测试图像选用的是256×256大小、8 b的灰度图像，设计软件是XILINX公司的ISE集成综合开发环境，仿真工具是Modelsim SE 5.8b，综合工具是ISE自带的综合软件XST，实现芯片是XILINX公司的XC2V1000。仿真、综合结果表明，设计电路完全符合要求。

  下面给出根据上述不同的FIR滤波结构设计的，用于实现空域滤波算法的3种电路结构的综合结果比较表。

  从表1可以看出：从资源占用角度看，结构三的等效门数最多，结构二的最少。从延时／最大频率可以看出，结构一最好。

3种结构的结构时延比较数据，如表2所示。

4 结 语

    本文论述了数字图像空域滤波算法以及FIR滤波器的基本设计方法，在对关键路径分析的基础上，引入流水线设计提高运算速度，提出了滤波器的3种设计结构，给出了滤波器的设计过程，通过仿真和综合结果可以看出，有效地节省了硬件资源，大大减小了硬件体积，增加了系统的可靠性。