JPEG 2000標準中MQ編碼器的VLSI結構設計

2 MQ編碼器的優(yōu)化
MQ編碼器采用串行執行方式，且編碼算法復雜、耗時(shí)，從而導致編碼器執行速度慢，效率低下。為了提高M(jìn)Q編碼器的運行速度，利用FPGA的大容量和并發(fā)執行等特性，對MQ編碼器進(jìn)行設計，在不改變原算法理論的條件下，對整個(gè)流程進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。
只有當前一輸入的結果被輸出后才能讀人下一輸入的串行執行方式，極大地限制了編碼速度的提高。為解決這個(gè)問(wèn)題，將整個(gè)編碼流程分成三個(gè)大的模塊(如圖3所示)串接起來(lái)，采用流水線(xiàn)的方式進(jìn)行工作。

其中，GLGJ模塊為概率估計模塊，其功能是根據上下文索引CX選擇，判決D編碼所必需的概率估值和相關(guān)數值，在各個(gè)上下文自適應更新數值； PJENCODER模塊為判決編碼模塊，其功能主要是進(jìn)行MPS編碼或LPS編碼、重新歸一化等主要數據處理進(jìn)程；ENCODER模塊為編碼輸出模塊，主要完成壓縮數據的輸出及編碼終結等功能；由這三個(gè)模塊組成三級流水線(xiàn)。
2．1 判決編碼的化簡(jiǎn)
判決編碼中先判斷D的取值是“0”還是“1”，如果D=0，就進(jìn)行0的編碼；如果D=1，那就進(jìn)行1的編碼。在“0”或“1”的編碼中，又要根據MPS (CX)的取值，判斷是進(jìn)行MPS編碼，還是進(jìn)行LPS編碼；在MPS和LPS編碼中，先更新區間寬度A的值，即A=A-Qe[I(CX)]，再判斷A是大于還是小于Qe[I(CX)]，由此與其他的一些條件決定最后的賦值方式。
上述過(guò)程包括ENCODE，CCOE0／CODE1，CO-DELPS／CODEMPS五個(gè)子流程，6個(gè)條件判斷，多次賦值，降低了編碼速度。對編碼的判決條件進(jìn)行整理，減少不必要的賦值，其Verilog代碼如下：

由此可有效地減少不必要的寄存器和位數賦值，加快模塊的工作效率，從而提高整個(gè)系統的工作頻率。
2．2 重新歸一化的加速
MQ編碼器一方面在編碼MPS時(shí)，給代碼C加上Qe值，將概率區間A減為A-Qe；另一方面，在編碼LPS時(shí)，代碼C不變，將概率區間A置換成Qe。如果將這樣的區間劃分運算進(jìn)行下去，在某一時(shí)間點(diǎn)上，概率區間A就會(huì )比必要精度范圍(O．75≤A1．5)小，這時(shí)就要通過(guò)重新歸一化A與C維持精度范圍。
重新歸一化過(guò)程是根據條件(A0．75)：當條件成立時(shí)，將區間寄存器A和代碼寄存器C再左移1次，使其大小加倍，直到概率區間A的大小超過(guò)0． 75。由此可見(jiàn)，如果A的值很小，則左移操作將會(huì )反復進(jìn)行，大大降低了編碼速率。同時(shí)因編碼中有MPS編碼和LPS編碼兩種，根據D的不同以及編碼方式的不同，重新歸一化時(shí)移位的次數也不同。
因此為了提高速度，并充分利用硬件的優(yōu)勢，將Qe的移位次數作為寄存器數，加入到概率估計表中(表1所示)。無(wú)論輸入數據D為何值，編碼的判決都是以 LPS或MPS為標準，所以當判決為L(cháng)PS編碼時(shí)，LZE-ROS中的數據就決定了左移位的次數；當判決為MPS編碼時(shí)，MZEROS中的數據就決定了左移位的次數。通過(guò)編程將擴展后的概率估計表，以寄存器的方式固化在芯片內部，雖然這樣增加了硬件電路中寄存器的數量，但可以通過(guò)一次性的直接查表得到判決編碼和重歸一化所需的數據，提高了查找效率。由于每次編碼都要用到該表，訪(fǎng)問(wèn)效率很高，這樣大大加快了編碼的速率，同時(shí)便于流水線(xiàn)結構的實(shí)現。

2．3 編碼輸出模塊的改進(jìn)
標準MQ編碼器中當輸出計數器CT=0時(shí)，MQ編碼器輸出1個(gè)字節。標準中字節輸出流程是串行執行的，造成效率低下。又由于重新歸一化過(guò)程采用了一次性的移位方式，最大的移位次數可達15次，且過(guò)程中伴隨著(zhù)字節輸出。有三種可能情況：不需要進(jìn)行字節輸出，需要進(jìn)行1個(gè)字節或2個(gè)字節的字節輸出。因此需要對字節輸出機制作改進(jìn)。這里將減法記數器CT改為5位的加法記數器，并使用一個(gè)16位的數據緩存器。根據CT的取值，判別輸出的是0字節還是1字節或者2字節，由此達到加速字節輸出的目的。