基于ARM946E處理器的MP3解碼優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MP3(MPEG I Audio Layer 3)格式是基于電影專(zhuān)家組系統(tǒng)(Motion Picture Expert Group，MPEG)壓縮標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到1：12。一分鐘左右的CD音樂(lè)經(jīng)過(guò)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(zhì)還可以保持基本完整而不失真。隨著數(shù)字音樂(lè)的不斷普及，現(xiàn)在MP3音樂(lè)已經(jīng)不僅局限于MPEG視頻應(yīng)用中，而是以一種獨(dú)立的數(shù)字音樂(lè)壓縮技術(shù)出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和各種電子設(shè)備上。目前市場(chǎng)流行的MP3播放器是基于DSP和專(zhuān)用芯片的解決方案，通過(guò)硬件或?qū)Ｓ盟惴▽?shí)現(xiàn)解碼，具有良好的實(shí)時(shí)性。而消費(fèi)類(lèi)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(qiáng)，利用系統(tǒng)本身處理器實(shí)現(xiàn)MP3軟解碼成為可能。另外，軟件實(shí)現(xiàn)更便于產(chǎn)品功能的升級(jí)和維護(hù)，可以預(yù)見(jiàn)，嵌入式MP3軟解碼器的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。這里在分析MPEG I Audio Layer3解碼算法的基礎(chǔ)上，提出基于ARM946E處理器實(shí)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(guò)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(yùn)算等。其中Huffman解碼與反量化、IMDCT和子帶合成等3個(gè)過(guò)程在MP3解碼過(guò)程中占用了最多的CPU和內(nèi)存資源，是嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件解碼的關(guān)鍵。

2 ARM946E處理器

ARM946E處理器屬于ARM9內(nèi)核帶有E擴(kuò)展的一個(gè)可綜合版本，執(zhí)行v5TE架構(gòu)指令。采用5級(jí)流水線，存儲(chǔ)器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令總線。帶有一套存儲(chǔ)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(chǔ)器子系統(tǒng)包含1個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU)、高速緩存(Cache)和寫(xiě)緩沖(Write Buffer)；CPU通過(guò)該子系統(tǒng)與系統(tǒng)存儲(chǔ)器相連。

相對(duì)于ARM7，ARM9E性能上的提高主要表現(xiàn)在工作頻率、改進(jìn)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(jí)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(lái)非常實(shí)用的DSP性能。充分利用好芯片資源是實(shí)現(xiàn)MP3解碼優(yōu)化的關(guān)鍵。

3算法優(yōu)化

針對(duì)MP3中涉及較大運(yùn)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(zhǎng)查找冗余表Huffman解碼算法

Huffman解碼器可以通過(guò)從頭至尾逐一檢測(cè)各符號(hào)，以查表比較的方式進(jìn)行解碼。即從一維的bit流中分辨出各個(gè)長(zhǎng)度不同的Huffman碼字，然后進(jìn)行復(fù)雜的匹配。

由于LayerⅢ中的Huffman碼表組長(zhǎng)度不一，會(huì)增加碼字的搜索時(shí)間。定長(zhǎng)查找冗余表法擴(kuò)充Huff—man查找表，每次選取定長(zhǎng)N bit碼流作為查找索引。查找表中包括跳轉(zhuǎn)指針和編碼值。

若節(jié)點(diǎn)索引值為跳轉(zhuǎn)指針時(shí)，將通過(guò)擴(kuò)充Huffman查找表得知此Huffman編碼的后續(xù)bit數(shù)，并跳轉(zhuǎn)到另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)；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(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始查找，如此重復(fù)直到找出對(duì)應(yīng)huffman編碼的內(nèi)容。查找表利用Union數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，可減小Huffman表占用的空間。假設(shè)一Huffman編碼長(zhǎng)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(zhǎng)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(shuō)明：

若Huffman編碼為000000001010(內(nèi)容為“DAB”)，定長(zhǎng)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(duì)應(yīng)為指針類(lèi)型，指向表項(xiàng)號(hào)8，標(biāo)志位為0，說(shuō)明沒(méi)有取到1個(gè)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(xiàng)開(kāi)始檢索，索引值為000對(duì)應(yīng)的內(nèi)容為“D”，此時(shí)標(biāo)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(duì)應(yīng)表內(nèi)的第1項(xiàng)，標(biāo)志位為1說(shuō)明已取完該個(gè)Huffman編碼，表項(xiàng)內(nèi)容為“A”；

(4)取3 b數(shù)據(jù)010，對(duì)應(yīng)表內(nèi)的第2項(xiàng)，表項(xiàng)內(nèi)容為“B”。

至此，已完整從Huffman編碼“000000001010”解碼出“DAB”的內(nèi)容。

3.2 IMDCT與合成子帶濾波的簡(jiǎn)化算法

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


子帶合成濾波在解碼過(guò)程中包括了32點(diǎn)到64點(diǎn)的IMDCT處理，如式(3)所示：

由于N(i)(k)具有對(duì)稱(chēng)特性，可以得出：


只要計(jì)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(jì)算量。

4代碼優(yōu)化

根據(jù)ARM946E處理器硬件特點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的關(guān)鍵程序進(jìn)行C語(yǔ)言和ARM匯編級(jí)代碼優(yōu)化。

4.1減計(jì)數(shù)循環(huán)體

IMDCT和子帶合成濾波器組2個(gè)運(yùn)算量最大部分中有多個(gè)循環(huán)體運(yùn)算，為了提高執(zhí)行效率，推薦使用減計(jì)數(shù)循環(huán)體。

如表3所示，對(duì)于固定次數(shù)的循環(huán)，減計(jì)數(shù)循環(huán)比增計(jì)數(shù)循環(huán)速度快。這是因?yàn)槊看卧鲇?jì)數(shù)循環(huán)體外加3條指令，而減計(jì)數(shù)循環(huán)體外只有2條指令，減循環(huán)終止條件為減計(jì)數(shù)到零，而不是計(jì)數(shù)增加到某個(gè)特定的限制值。由于減計(jì)數(shù)結(jié)果已存儲(chǔ)在指令條件標(biāo)志里，省去與零比較指令。


4.2 內(nèi)聯(lián)函數(shù)和內(nèi)嵌匯編

MP3解碼算法中定點(diǎn)化乘法都是通過(guò)函數(shù)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，每次調(diào)用需要開(kāi)銷(xiāo)23～28個(gè)時(shí)鐘周期，其中超過(guò)15個(gè)周期用于函數(shù)調(diào)用時(shí)PC指針以及寄存器壓棧保護(hù)上。采用內(nèi)聯(lián)函數(shù)方式(使用關(guān)鍵字_inline聲明)或宏指令，在編譯階段代碼段將被直接展開(kāi)。另外armcc編譯器允許在C源程序中使用內(nèi)嵌匯編(但代碼可移植性差)，使用包括匯編的內(nèi)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(kuò)展指令。使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)結(jié)合內(nèi)嵌匯編實(shí)現(xiàn)移位乘法，可使平均時(shí)鐘周期縮短為6～8個(gè)。

4.3 ARM DSP擴(kuò)展指令的運(yùn)用

ARM946E處理器支持ARM DSP擴(kuò)展指令，主要包括3個(gè)類(lèi)型：

(1)單周期的16×16和32×16 MAC操作；
(2)對(duì)原有的算術(shù)運(yùn)算指令增加了飽和處理擴(kuò)展；
(3)前導(dǎo)零(CLZ)運(yùn)算指令，提高歸一化、浮點(diǎn)運(yùn)算以及除法操作的性能。

ARM處理器不支持浮點(diǎn)運(yùn)算，經(jīng)過(guò)測(cè)試及分析，定點(diǎn)運(yùn)算中數(shù)值的截?cái)嗾`差選擇為28 b，其可以達(dá)到較好的解碼音質(zhì)，不會(huì)因?yàn)楸暨^(guò)多而影響播放效果。

完成類(lèi)似的乘法功能，ARM的SMULL(32×32)指令需要3個(gè)周期，而ARM DSP擴(kuò)展指令SMULWT(32×16)只需要1個(gè)周期。從數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性上分析，由于乘數(shù)的精度為16 b，最終結(jié)果有些差異，但由于MP3解碼運(yùn)算都是基于28 b的定點(diǎn)數(shù)值的，所以通常的運(yùn)算都是一個(gè)運(yùn)算結(jié)果跟某一個(gè)固定定點(diǎn)表中的數(shù)據(jù)相乘的。若選擇固定定點(diǎn)表中數(shù)據(jù)的高16 b數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果誤差在1 b以內(nèi)。

為了驗(yàn)證使用ARM DSP擴(kuò)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(jìn)行編碼測(cè)試，采用的測(cè)試文件如表4所示。


上述3個(gè)MP3測(cè)試文件的比特率均為128 Kb／s，使用這三首MP3歌曲進(jìn)行解碼分析結(jié)果如圖3所示。


實(shí)驗(yàn)表明，使用ARM DSP擴(kuò)展指令比使用ARM一般指令解碼性能平均提高17.5％，主觀聽(tīng)覺(jué)上音質(zhì)效果無(wú)差異。

5 結(jié) 語(yǔ)

這里充分利用ARM946E處理器的DSP擴(kuò)展指令特點(diǎn)提高程序代碼的執(zhí)行效率，對(duì)3個(gè)關(guān)鍵模塊：Huffman解碼，IMDCT運(yùn)算，合成子帶濾波進(jìn)行算法優(yōu)化及簡(jiǎn)化處理，減少了各模塊的運(yùn)算量，同時(shí)從C語(yǔ)言和ARM匯編層次來(lái)優(yōu)化代碼，取得了較好的實(shí)時(shí)MP3解碼效果。