基于多任務(wù)嵌入式應(yīng)用的MP3實(shí)時(shí)解碼系統(tǒng)

1 引 言

　　MP3是目前世界上流行的音頻格式之一，采用MPEG-1標(biāo)準(zhǔn)的Audio LayerⅢ壓縮編碼格式，具有高壓縮率和保真度。MP3的解碼功能大多以專用解碼芯片的形式應(yīng)用于多種消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。采用軟解碼的方式實(shí)現(xiàn)MP3實(shí)時(shí)播放功能可以充分利用硬件資源，節(jié)省芯片面積，有利于降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)軟件方式可移植性好，解碼質(zhì)量可通過軟件參數(shù)設(shè)定，具有更大的靈活性，便于系統(tǒng)升級(jí)。隨著主流嵌入式微處理器ARM的處理能力越來越強(qiáng)，這種實(shí)現(xiàn)方式也已經(jīng)成為眾多嵌入式設(shè)計(jì)公司研究的焦點(diǎn)。

　　與專用解碼芯片相比，采用軟件方式實(shí)現(xiàn)MP3實(shí)時(shí)解碼的瓶頸在于解碼效率。在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，單個(gè)任務(wù)的執(zhí)行效率以及任務(wù)間的調(diào)度方式將直接影響整個(gè)系統(tǒng)在一定硬件資源條件下的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度。因此，在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中采用軟解碼方式實(shí)現(xiàn)MP3實(shí)時(shí)播放，必須通過優(yōu)化算法提高解碼效率，在保證實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上降低對(duì)硬件資源的要求。

2 設(shè)計(jì)思想

　　MP3解碼需要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)處理。首先對(duì)MP3數(shù)據(jù)流進(jìn)行幀同步并解出頭信息和邊信息供解碼主數(shù)據(jù)使用，之后對(duì)主數(shù)據(jù)依次進(jìn)行霍夫曼解碼、反量化、IMDCT以及子帶合成濾波，最終輸出PCM碼流。整個(gè)解碼過程如圖1所示。對(duì)定點(diǎn)化開源解碼程序各模塊執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，找出關(guān)鍵耗時(shí)模塊并對(duì)其采用改進(jìn)型快速算法；在保證一定音質(zhì)的前提下，根據(jù)解碼運(yùn)算特征降低運(yùn)算精度，從而在基于ARM926EJ-S處理器開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3音樂(碼率為192 kb／s，采樣率為44.1 kHz，立體聲編碼模式)的解碼；在實(shí)時(shí)播放方面，提出雙Buffer輪換DMA傳送的設(shè)計(jì)方案，為高效任務(wù)調(diào)度的實(shí)現(xiàn)提供有利條件。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

3.1 硬件系統(tǒng)

　　本文采用的嵌入式系統(tǒng)是以ARM926EJ-S處理器為核心的SoC開發(fā)平臺(tái)，最高運(yùn)行主頻為190 MHz，支持ARMv5T指令集，存儲(chǔ)器包括SDRAM和NAND FLASHROM，外圍設(shè)備包括DMA控制器、中斷控制器、USB控制器、UART、控制器、I2S控制器以及定時(shí)／計(jì)數(shù)器。整個(gè)硬件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖2所示。

　　MP3文件和程序代碼通過USB線下載并分別存放入NAND FLASH ROM和SDRAM；解碼MP3文件得到的PCM碼流送入I2S控制器輸出；UART控制器可實(shí)現(xiàn)串口打印輸出調(diào)試信息，跟蹤程序運(yùn)行狀態(tài)；定時(shí)／計(jì)數(shù)器用于測(cè)試解碼時(shí)間，對(duì)解碼各個(gè)模塊進(jìn)行耗時(shí)分析。

3.2 代碼移植

　　搭建好硬件平臺(tái)后，對(duì)各硬件模塊進(jìn)行初始化，并加載文件系統(tǒng)，完成軟件平臺(tái)的搭建。將開源的MP3解碼程序代碼移植到軟件平臺(tái)上，這一過程主要是針對(duì)平臺(tái)的文件系統(tǒng)，對(duì)文件讀寫函數(shù)進(jìn)行替換，并將屏幕打印替換為串口打印操作。移植后的代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3文件進(jìn)行解碼，并輸出為PCM碼流文件。利用CoolEdit對(duì)輸出PCM碼流文件進(jìn)行測(cè)試播放，輸出音質(zhì)良好。

3.3 耗時(shí)分析

　　成功移植后，對(duì)代碼進(jìn)行耗時(shí)分析，找出耗時(shí)最大的功能模塊，確定重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象。該系統(tǒng)采用硬件定時(shí)／計(jì)數(shù)器作為測(cè)試工具，將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率調(diào)配為1 MHz，可實(shí)現(xiàn)1μs的測(cè)試精度。在ARM工作主頻為150 MHz的條件下，對(duì)100幀MP3數(shù)據(jù)的解碼過程進(jìn)行耗時(shí)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1測(cè)試數(shù)據(jù)可知，子帶合成濾波占了整個(gè)解碼時(shí)間的60％以上，是決定解碼速度的最關(guān)鍵模塊；其次是長(zhǎng)塊IMDCT運(yùn)算，占了整個(gè)解碼時(shí)間的10％以上。因此，子帶合成濾波與長(zhǎng)塊IMDCT成為優(yōu)化重點(diǎn)。

3.4 解碼算法分析與優(yōu)化

3.4.1 子帶合成濾波算法優(yōu)化

　　子帶合成濾波是MP3解碼過程中最耗時(shí)的關(guān)鍵流程，該解碼系統(tǒng)采用Konstantinos Konstantinides提出的改進(jìn)型算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。子帶合成濾波的標(biāo)準(zhǔn)算法涉及從32值變換到64值的矩陣運(yùn)算，Konstantinos Konstantinides提出的改進(jìn)型算法將矩陣運(yùn)算進(jìn)行一系列變化，最終歸結(jié)于32點(diǎn)DCT變換，而DCT變換有類似于FFT的快速算法(FCT)，從而加速了整個(gè)子帶合成濾波過程。由DCT變換到矩陣運(yùn)算的轉(zhuǎn)換過程如圖3所示，其中S和V分別為矩陣運(yùn)算的32點(diǎn)輸入序列和64點(diǎn)輸出序列，A，B均為16點(diǎn)矢量。

3.4.2 IMDCT算法優(yōu)化

　　IMDCT采用Szu-Wei Lee提出的快速算法進(jìn)行優(yōu)化，該算法充分利用余弦函數(shù)的對(duì)稱性，將N點(diǎn)IMDCT運(yùn)算經(jīng)過一系列變形，最終轉(zhuǎn)化為N／4點(diǎn)的SDCT-Ⅱ運(yùn)算，其轉(zhuǎn)化流程如圖4所示。對(duì)短塊IMDCT使用該算法并沒有帶來較大的速度改善，故只對(duì)長(zhǎng)塊應(yīng)用。相比于直接運(yùn)算的648次乘法和612次加法，優(yōu)化后的長(zhǎng)塊。IM-DCT運(yùn)算量下降為43次乘法和115次加法。

3.4.3 低精度乘法

　　在ARM指令集中的乘法指令有2類：32 b×32 b→64 b長(zhǎng)乘法指令(MULL，MLAL)和32 b×32 b→32 b短乘法指令(MUL，MLA)，前者的指令周期為3+m，而后者為2+m。由于解碼過程中，尤其是子帶合成濾波過程，乘法指令使用非常頻繁，如果能夠使用短乘法指令進(jìn)行乘法運(yùn)算，將會(huì)大大提高系統(tǒng)性能。

　　該系統(tǒng)的定點(diǎn)運(yùn)算過程采用Q28定點(diǎn)表示法，若采用長(zhǎng)乘法指令運(yùn)算，得到的64位結(jié)果中有效位只有第28～59位，低28位和高4位都是無用的，需要通過移位去除。根據(jù)解碼過程中運(yùn)算系數(shù)的定點(diǎn)表示特征，可以在乘法運(yùn)算前預(yù)先對(duì)操作數(shù)進(jìn)行移位，以便使編譯器采用短乘法指令進(jìn)行運(yùn)算。在子帶合成濾波過程中，定點(diǎn)化濾波系數(shù)的低12位均為0。根據(jù)這一特征，可將濾波系數(shù)預(yù)先右移14位再進(jìn)行乘法運(yùn)算，這一過程僅損失2位精度。另外，在子帶濾波快速算法的DCT運(yùn)算結(jié)果參加乘法運(yùn)算前，預(yù)先右移12位，最后將子帶濾波的輸出結(jié)果右移2位。經(jīng)過3次右移操作后的輸出結(jié)果共降低16位精度，對(duì)于16位PCM輸出剛好滿足精度要求。

　　經(jīng)過以上一系列優(yōu)化處理后，主要解碼耗時(shí)模塊的改善情況如表2所示。

3.5 實(shí)時(shí)播放方案設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用雙Buffer輪換DMA傳送的方案實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播放，整個(gè)播放流程如圖5所示。其中n為解碼當(dāng)前幀的幀序號(hào)，第一幀序號(hào)為0；buffer0和buffer1分別用于存放當(dāng)前播放幀的PCM數(shù)據(jù)和下一幀的PCM數(shù)據(jù)。DMA傳送采用LLI傳送方式，可實(shí)現(xiàn)將2個(gè)buffer存放的PCM數(shù)據(jù)輪換向I2S FIFO傳送，因此只需在解碼完第1幀后啟動(dòng)一次DMA傳送。

　　該方案的實(shí)現(xiàn)原理是在一幀MP3數(shù)據(jù)解碼時(shí)間遠(yuǎn)小于1幀PCM數(shù)據(jù)播放時(shí)間(采樣率為44.1 kHz時(shí)，一幀PCM播放時(shí)間為26.1 ms)這一前提條件下，播放當(dāng)前幀PCM數(shù)據(jù)的同時(shí)開始解碼下一幀MP3數(shù)據(jù)。因此在解碼完下一幀數(shù)據(jù)后，需要等待當(dāng)前幀播放完畢，再繼續(xù)解碼。在圖5中，這一等待過程采用的是查詢DMA傳送結(jié)束標(biāo)志的方式，這使得CPU一直處于忙狀態(tài)，白白消耗了系統(tǒng)資源。然而在多任務(wù)嵌入式系統(tǒng)中，這段等待時(shí)間恰恰是非常有利用價(jià)值的。MP3實(shí)時(shí)解碼可以一個(gè)任務(wù)的形式存在于多任務(wù)系統(tǒng)中，將圖5中的查詢過程改為休眠M(jìn)P3解碼任務(wù)，同時(shí)將DMA中斷打開，在中斷服務(wù)程序中喚醒解碼任務(wù)，那么在解碼完畢下一幀后便可釋放CPU資源，將DMA中斷發(fā)生前的這段等待時(shí)間用于調(diào)度其他進(jìn)程，例如JPEG解碼任務(wù)和GUI任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)播放音樂、播放圖片和用戶操作3者的高效協(xié)同工作。

4 結(jié) 語

　　本文給出的MP3實(shí)時(shí)解碼系統(tǒng)在基于ARM926EJ-S核心的SoC硬件平臺(tái)上，對(duì)MP3解碼算法和實(shí)時(shí)播放方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)可在處理器主頻僅為36 MHz的條件下流暢播放MP3音樂(碼率為192 kb／s)，可嵌入數(shù)碼相框、MP4等產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)MP3實(shí)時(shí)播放功能