基于ARM946E處理器的MP3解碼優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

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(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(zhì)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(yīng)用中，而是以一種獨立的數(shù)字音樂壓縮技術(shù)出現(xiàn)在計算機、網(wǎng)絡(luò)和各種電子設(shè)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?qū)Ｓ盟惴▽崿F(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(yù)見，嵌入式MP3軟解碼器的應(yīng)用將越來越廣泛。這里在分析MPEG I Audio Lay-er3解碼算法的基礎(chǔ)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(nèi)存資源，是嵌入式系統(tǒng)實現(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擴展的一個可綜合版本，執(zhí)行v5TE架構(gòu)指令。采用5級流水線，存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系結(jié)構(gòu)重新設(shè)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(guān)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(fù)雜的匹配。
由于LayeIⅢ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(zhuǎn)指針和編碼值。若節(jié)點索引值為跳轉(zhuǎn)指針時，將通過擴充Huff-man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(zhuǎn)節(jié)點開始查找，如此重復(fù)直到找出對應(yīng)huffman編碼的內(nèi)容。查找表利用Union數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，可減小Huffman表占用的空間。假設(shè)一Huff-man編碼長度為l，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[z／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：