2.3 使用Nios II的定制指令提高系统性能
    
使用Nios II的定制指令，可以将一个复杂的标准指令序列简化为一个用硬件实现的单一指令，从而简化系统软件设计并加快系统运行速度。Nios II的定制指令是与CPU的数据通路中的ALu相连的用户逻辑块。其基本操作是，接收从dataa和/或datab端口输入的数据，经过定制指令逻辑的处理，将结果输出到result端口。
    
JPEG图像解码的核心算法是离散余弦反变换IDCT，二维DCT/IDCT变换需要经过两次矩阵乘法，8*8的图像子块的DCT/IDCT需要进行8 192次乘法和3 584次加法。基于Nios II的JPEG图像显示系统采用w Li循环斜卷积算法，在保证不增加加法器个数的同时，大大减少了乘法器数目，改进了传统的DCT/IDCT硬件实现方法，采用流水线结构，实行并行优化算法，提高了IDCT模块的运算速度，减小了延迟。
    
定制指令逻辑和Nios II的连接在SoPC Builder中完成。Nios II CPU配置向导提供了一个可添加256条定制指令的图形用户界面，在该界面中导入设计文件，设置定制指令名，并分配定制指令所需的CPU时钟周期数目。系统生成时，Nios II IDE为每条用户指令产生一个在系统头文件中定义的宏，可以在C或C++应用程序代码中直接调用这个宏。

3 系统软件的设计与实现
    
本系统的JPEG图像处理和解码算法采用c++语言在Nios II IDE中实现 。JPEG图像解码算法的流程如图3所示。


    
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8×8的二维数组。
    
IDCT变换直接利用自定制指令快速完成8×8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.

 结束语

本文提出了一种基于Nios II嵌入式处理器软核的JPEG图像显示系统的实现方法。使用ALTEra的Cyclone FPGA实现，具有开发周期短、成本低等特点；同时，采用Nios II的定制指令来提高系统性能，利用硬件实现算法速度快的优点，使以Nios II处理器为核心的系统能够快速地完成大量图像数据处理。
 

   

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