PNG的硬件解码加速设计

文章摘要：www.88dzw.com4 PNG核心解码模块的硬件结构 由于编码长度可变和编码长度不统一，解码时若按位比较来查找Huffman表会消耗很多时间，且PNG数据流中Huffman编码的最长码长为9。因此，为了实现快速查表解码，本算法中将码长小于9的Huffman树的叶结点作为父结点来扩展到9层，即扩展出来的叶结点信息都同父结点一样，每次用固定的9比特压缩数据作为地址去查表。这样可以保证在每一个时钟内都可以查找到相应的字符值，就可以极大地提高硬件解码的效率。以前面的Huffman树为例子(如图4所示)，简单地将第4层以内的叶结点补充到第4层，即把整个Huffman二叉树补满，则在第4层的子

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4 PNG核心解码模块的硬件结构
    由于编码长度可变和编码长度不统一，解码时若按位比较来查找Huffman表会消耗很多时间，且PNG数据流中Huffman编码的最长码长为9。因此，为了实现快速查表解码，本算法中将码长小于9的Huffman树的叶结点作为父结点来扩展到9层，即扩展出来的叶结点信息都同父结点一样，每次用固定的9比特压缩数据作为地址去查表。这样可以保证在每一个时钟内都可以查找到相应的字符值，就可以极大地提高硬件解码的效率。以前面的Huffman树为例子(如图4所示)，简单地将第4层以内的叶结点补充到第4层，即把整个Huffman二叉树补满，则在第4层的子叶结点的长度和字符信息都同父结点一样。

    这种扩展Huffman树的方法，可以实现迅速查找Huffman表，得到相应的字符值和匹配的组合信息值，对解出匹配的组合信息值，则根据LZ77原则还原出解码数据作为输出。
    该设计中的硬件解码核心模块可参考图5。这种硬件结构的优点是利用扩展码表的方法实现快速解码。核心解码的基本流程为：每次用固定的9 b压缩数据作为地址去查表，查出包含有码长和字符信息的叶结点，并根据码长信息从字符容器模块移出使用过的压缩数据，并等待新进的压缩数据与字符容器剩余的压缩数据组成新的9 b数据作为查表地址。在下一个时钟重复查表的过程，以此方式反复查表直至Huffman解码结束。

5 仿真和综合结果
    经Modelsim 6．3仿真提取出解码后数据，在Matlab工具中进行对原图显示与该设计解码后提取出的图像数据进行对比，比较结果完全一致，并且在验证平台上比较其对应的原始图像数据也完全吻合，因此，该硬件设计能够完全不失真的恢复PNG图像数据。
    在设计中，使用台积电90 nlTl的工艺库，在100 MHz的频率下对PNG解码核心模块用DC进行综合，结果如表1所示。(其中面积大小和功耗不包括RAM的面积和读写RAM的功耗)

6 结 语
    这里讨论了PNG解码加速的硬件实现方法。其中分析了LZ77和Huffman两种算法的硬件解码原理，以及采用补满Huffman树的机制实现快速查表解码，并运用较优的软硬件协调机制，在节省功耗前的前提下实现PNG硬件解码加速。

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2 PNG解码的软硬件协调机制
    整个PNG硬件解码过程都是由软件来调度的，在硬件解码中若校验到图片数据出错或解码完成时，则PNG硬件模块通过配置专门的寄存器给软件检查做中断处理；当软件检测到这个寄存器信号使能时就产生中断，就能即使关闭PNG硬件解码模块，在数据有误的情况下节省了硬件解码的功耗。
    解码前后数据的搬运机制是通过公用的AVI模块(相当于FIF0实现输入输出数据的缓存)实现了PNG数据的搬运：解码前，软件通过调配AVI模块从内存中搬取压缩数据给PNG硬件模块做解码；解码后的数据经过Resize模块缩放后又可以利用AVI搬运给VGA做显示，这种较优的软件调配机制，解决了该设计的软硬件协调问题，可以在节省功耗的前提下实现高效率的解码，具体的软件硬件协调原理如图2所示。

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