Linux下Cold Fire 片內(nèi)SRAM的應(yīng)用程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文以MP3解碼器為例，介紹了一種在嵌入式Linux系統(tǒng)下配置使用處理器片內(nèi)SRAM的應(yīng)用方案，有效提高了代碼的解碼效率，降低了執(zhí)行功耗。該方案不論在性能還是成本上都得到了很大改善。

1 硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)
硬件平臺(tái)采用Freescale公司的MCF5329EVB開發(fā)板。終端硬件包括ColdFire5329處理器、32 KB的片內(nèi)SRAM、1 800×600矩陣LCD顯示屏、9×3陣列矩陣鍵盤、I2S音頻解碼芯片、64 MB的SDRAM、10／100M以太網(wǎng)接口，以及3個(gè)UART接口。軟件構(gòu)架如圖1所示，主要包括MP3解碼器、音頻驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)和用戶圖形界面(GUI)等模塊。采用μClinux作為操作系統(tǒng)。μClinux針對(duì)嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)作了較大的簡化和修改，支持多種文件系統(tǒng)和多任務(wù)處理，而且具有相對(duì)完整的網(wǎng)絡(luò)體系協(xié)議，因而特別適合嵌入式應(yīng)用。

2 MP3解碼算法分析
本文選用MP3解碼程序作為方案驗(yàn)證代碼。MPEG-1／2 Audio Layer 3是專門針對(duì)音樂和語音數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的有損壓縮算法。該算法的解碼過程比較復(fù)雜，主要包括反向修正離散余弦變換(IMDCT)、逆量化、Huffman解碼、子帶綜合等功能模塊。讀入一段MP3數(shù)據(jù)后，首先要檢測數(shù)據(jù)流中的同步字，以確定一幀數(shù)據(jù)的開始；然后提取幀頭信息，特別是解碼所需要的一些參數(shù)，同時(shí)分離出幀邊信息和主數(shù)據(jù)；之后對(duì)邊信息數(shù)據(jù)解碼得到Huffman解碼信息和逆量化信息，再經(jīng)過重新排序、立體聲處理、反混疊處理、IMDCT變換和子帶綜合濾波器組后，就可以得到PCM輸出。
MP3解碼流程如圖2所示。大致分為兩個(gè)階段，即數(shù)據(jù)流控制階段和數(shù)值計(jì)算階段。數(shù)據(jù)流控制階段包括幀同步、邊帶信息解碼和Huffman解壓縮等過程。其中，Huffman解壓縮是對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，其他過程則是對(duì)幀控制部分進(jìn)行操作。

3 基于片內(nèi)SRAM的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案
3．1 方案分析
SRAM指令執(zhí)行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329處理器內(nèi)部集成了32 KB的SRAM，本設(shè)計(jì)方案將充分利用處理器片內(nèi)SRAM來對(duì)解碼程序進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)源代碼中的主要解碼函數(shù)進(jìn)行分析，如表1所列。可以看到驅(qū)動(dòng)寫函數(shù)(write)、子帶綜合(MPEGSUB_synthesis)、反向修正離散余弦變換(imdct_I)和快速離散余弦變換(fast_dct)對(duì)處理器資源消耗較大，幾乎占用80％的解碼時(shí)間。根據(jù)分析結(jié)果，分別把音頻驅(qū)動(dòng)程序和上述解碼函數(shù)放進(jìn)SRAM中執(zhí)行，以提高流媒體解碼器的執(zhí)行速度，降低其對(duì)處理器資源的消耗。

3．2 配置音頻驅(qū)動(dòng)程序到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行
Linux操作系統(tǒng)把內(nèi)核和運(yùn)行在其上的應(yīng)用程序分成兩個(gè)管理層次，也就是常說的“內(nèi)核態(tài)”和“用戶態(tài)”。內(nèi)核態(tài)具有較高的應(yīng)用權(quán)限，可以控制處理器內(nèi)存的映射和分配方式。音頻驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)內(nèi)核的重要組成部分，工作在內(nèi)核態(tài)，實(shí)現(xiàn)不斷從用戶空間解碼文件中讀取音頻信息，以及驅(qū)動(dòng)音頻芯片播放聲音等相關(guān)功能。通過修改μClinux-2．6內(nèi)核代碼，可以將音頻驅(qū)動(dòng)程序配置到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行，主要通過修改系統(tǒng)鏈接文件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)鏈接文件用于將輸入文件根據(jù)一定的規(guī)則合并成一個(gè)輸出文件，并對(duì)符號(hào)與地址進(jìn)行綁定。