基于ARM946E處理器的MP3解碼優(yōu)化系統(tǒng)設計

MP3(MPEG I Audio Layer 3)格式是基于電影專家組系統(tǒng)(Motion Picture Expert Group，MPEG)壓縮標準的一種聲音文件格式，其壓縮比根據(jù)采樣頻率、壓縮位率和聲音模式的不同而有所變化。MP3具有很高的壓縮率，可以達到1：12。一分鐘左右的CD音樂經(jīng)過MP3格式壓縮編碼后，可以壓縮到1兆左右的容量，其音色和音質還可以保持基本完整而不失真。隨著數(shù)字音樂的不斷普及，現(xiàn)在MP3音樂已經(jīng)不僅局限于MPEG視頻應用中，而是以一種獨立的數(shù)字音樂壓縮技術出現(xiàn)在計算機、網(wǎng)絡和各種電子設備上。目前市場流行的MP3播放器是基于DSP和專用芯片的解決方案，通過硬件或專用算法實現(xiàn)解碼，具有良好的實時性。而消費類電子產(chǎn)品正朝著多功能、低成本的方向發(fā)展。隨著ARM9功能的不斷增強，利用系統(tǒng)本身處理器實現(xiàn)MP3軟解碼成為可能。另外，軟件實現(xiàn)更便于產(chǎn)品功能的升級和維護，可以預見，嵌入式MP3軟解碼器的應用將越來越廣泛。這里在分析MPEG I Audio Layer3解碼算法的基礎上，提出基于ARM946E處理器實現(xiàn)解碼算法的軟件優(yōu)化方法。

1 MPEG Audio Layer3的解碼流程

MP3解碼算法流程如圖1所示。


主要過程包括：數(shù)據(jù)流解碼、Huffman解壓縮、反量化與重排序、立體聲解碼、IMDCT和子帶合成運算等。其中Huffman解碼與反量化、IMDCT和子帶合成等3個過程在MP3解碼過程中占用了最多的CPU和內存資源，是嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)軟件解碼的關鍵。

2 ARM946E處理器

ARM946E處理器屬于ARM9內核帶有E擴展的一個可綜合版本，執(zhí)行v5TE架構指令。采用5級流水線，存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結構重新設計，獨立的數(shù)據(jù)和指令總線。帶有一套存儲器子系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)性能和支持大型操作系統(tǒng)。

如圖2所示，存儲器子系統(tǒng)包含1個存儲器保護單元(MPU)、高速緩存(Cache)和寫緩沖(Write Buffer)；CPU通過該子系統(tǒng)與系統(tǒng)存儲器相連。

相對于ARM7，ARM9E性能上的提高主要表現(xiàn)在工作頻率、改進的硬件特性及優(yōu)化的指令執(zhí)行效率。另外，ARM9E集成了輕量級的DSP處理能力，以很小的成本(CPU增加功能需要增加硬件)換來非常實用的DSP性能。充分利用好芯片資源是實現(xiàn)MP3解碼優(yōu)化的關鍵。

3算法優(yōu)化

針對MP3中涉及較大運算的Huffman解碼與反量化、IMDCT和子帶合成，分別提出算法優(yōu)化處理。

3.1 定長查找冗余表Huffman解碼算法

Huffman解碼器可以通過從頭至尾逐一檢測各符號，以查表比較的方式進行解碼。即從一維的bit流中分辨出各個長度不同的Huffman碼字，然后進行復雜的匹配。

由于LayerⅢ中的Huffman碼表組長度不一，會增加碼字的搜索時間。定長查找冗余表法擴充Huff—man查找表，每次選取定長N bit碼流作為查找索引。查找表中包括跳轉指針和編碼值。

若節(jié)點索引值為跳轉指針時，將通過擴充Huffman查找表得知此Huffman編碼的后續(xù)bit數(shù)，并跳轉到另外一個節(jié)點；然后再根據(jù)后續(xù)bit數(shù)從碼流中取值；接著從上次跳轉節(jié)點開始查找，如此重復直到找出對應huffman編碼的內容。查找表利用Union數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)，可減小Huffman表占用的空間。假設一Huffman編碼長度為1，采用傳統(tǒng)算法需要1次移位操作和1次比較，使用定長查找法只需[l／N]次查找和[l／N]次比較操作。

表1，表2是Huffman解碼的舉例說明：

若Huffman編碼為000000001010(內容為“DAB”)，定長N=3，即每次從碼流中取3 b數(shù)據(jù)，解碼步驟如下：

(1)取3 b數(shù)據(jù)000，從Huffman查找表檢索，000對應為指針類型，指向表項號8，標志位為0，說明沒有取到1個完整的Huffman編碼，后續(xù)仍有3 b數(shù)據(jù)；

(2)繼續(xù)取3 b數(shù)據(jù)000，從Huffman查找表的第8項開始檢索，索引值為000對應的內容為“D”，此時標志位為1，即表示已完成1次Huffman解碼；

(3)取3 b數(shù)據(jù)001，對應表內的第1項，標志位為1說明已取完該個Huffman編碼，表項內容為“A”；

(4)取3 b數(shù)據(jù)010，對應表內的第2項，表項內容為“B”。

至此，已完整從Huffman編碼“000000001010”解碼出“DAB”的內容。

3.2 IMDCT與合成子帶濾波的簡化算法

反離散修正余弦變換(IMDCT)是在去混疊處理之后進行的，它的計算公式如式(1)所示：


子帶合成濾波在解碼過程中包括了32點到64點的IMDCT處理，如式(3)所示：

由于N(i)(k)具有對稱特性，可以得出：


只要計算0≤in／4和n／2+1≤i3n／4范圍的V(i)值即可。其減少了將近一半的計算量。

4代碼優(yōu)化

根據(jù)ARM946E處理器硬件特點，對實時性要求較高的關鍵程序進行C語言和ARM匯編級代碼優(yōu)化。

4.1減計數(shù)循環(huán)體

IMDCT和子帶合成濾波器組2個運算量最大部分中有多個循環(huán)體運算，為了提高執(zhí)行效率，推薦使用減計數(shù)循環(huán)體。

如表3所示，對于固定次數(shù)的循環(huán)，減計數(shù)循環(huán)比增計數(shù)循環(huán)速度快。這是因為每次增計數(shù)循環(huán)體外加3條指令，而減計數(shù)循環(huán)體外只有2條指令，減循環(huán)終止條件為減計數(shù)到零，而不是計數(shù)增加到某個特定的限制值。由于減計數(shù)結果已存儲在指令條件標志里，省去與零比較指令。


4.2 內聯(lián)函數(shù)和內嵌匯編

MP3解碼算法中定點化乘法都是通過函數(shù)調用來實現(xiàn)，每次調用需要開銷23～28個時鐘周期，其中超過15個周期用于函數(shù)調用時PC指針以及寄存器壓棧保護上。采用內聯(lián)函數(shù)方式(使用關鍵字_inline聲明)或宏指令，在編譯階段代碼段將被直接展開。另外armcc編譯器允許在C源程序中使用內嵌匯編(但代碼可移植性差)，使用包括匯編的內嵌函數(shù)，可以使編譯器支持通常不能有效使用的ARM指令和優(yōu)化方法，例如C編譯器不支持的ARM v5E擴展指令。使用內聯(lián)函數(shù)結合內嵌匯編實現(xiàn)移位乘法，可使平均時鐘周期縮短為6～8個。

4.3 ARM DSP擴展指令的運用

ARM946E處理器支持ARM DSP擴展指令，主要包括3個類型：

(1)單周期的16×16和32×16 MAC操作；
(2)對原有的算術運算指令增加了飽和處理擴展；
(3)前導零(CLZ)運算指令，提高歸一化、浮點運算以及除法操作的性能。

ARM處理器不支持浮點運算，經(jīng)過測試及分析，定點運算中數(shù)值的截斷誤差選擇為28 b，其可以達到較好的解碼音質，不會因為爆音過多而影響播放效果。

完成類似的乘法功能，ARM的SMULL(32×32)指令需要3個周期，而ARM DSP擴展指令SMULWT(32×16)只需要1個周期。從數(shù)據(jù)的準確性上分析，由于乘數(shù)的精度為16 b，最終結果有些差異，但由于MP3解碼運算都是基于28 b的定點數(shù)值的，所以通常的運算都是一個運算結果跟某一個固定定點表中的數(shù)據(jù)相乘的。若選擇固定定點表中數(shù)據(jù)的高16 b數(shù)據(jù)進行運算，運算的結果誤差在1 b以內。

為了驗證使用ARM DSP擴展指令的優(yōu)化效果，在系統(tǒng)120 MHz主頻下，以128 Kb／s的壓縮速率進行編碼測試，采用的測試文件如表4所示。


上述3個MP3測試文件的比特率均為128 Kb／s，使用這三首MP3歌曲進行解碼分析結果如圖3所示。


實驗表明，使用ARM DSP擴展指令比使用ARM一般指令解碼性能平均提高17.5％，主觀聽覺上音質效果無差異。

5 結 語

這里充分利用ARM946E處理器的DSP擴展指令特點提高程序代碼的執(zhí)行效率，對3個關鍵模塊：Huffman解碼，IMDCT運算，合成子帶濾波進行算法優(yōu)化及簡化處理，減少了各模塊的運算量，同時從C語言和ARM匯編層次來優(yōu)化代碼，取得了較好的實時MP3解碼效果。