基于ARM平臺(tái)的MP3軟解碼算法研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：為了減少功耗與降低成本，根據(jù)ARM芯片對(duì)C語言良好支持的特點(diǎn)，在深度剖析MP3解碼算法、分析C語言在ARM芯片上編程的優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，通過軟件形式實(shí)現(xiàn)MP3音頻解碼器，便一些無硬件解碼器支持的ARM嵌入式系統(tǒng)完成MP3解碼任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的MP3軟解碼器，可以有效地降低系統(tǒng)功耗，提高解碼效率，更好地?cái)U(kuò)展和增強(qiáng)便攜嵌入式系統(tǒng)多媒體功能。
關(guān)鍵詞：MP3解碼；ARM嵌入式系統(tǒng)；嵌入式多媒體；霍夫曼編碼

隨著便攜式嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式多媒體技術(shù)正在影響并改變著人們的日常生活，多媒體音頻編碼解碼技術(shù)也越來越受到關(guān)注和重視。筆者提出了一種MP3音頻解碼通過軟件方式在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的解決方案。該方案以目前比較高效的MP3解碼算法為基礎(chǔ)，靈活的取代了基于DSP的硬件解碼方案，在低消耗處理器資源的前提下，實(shí)現(xiàn)能與硬件解碼相媲美的效果。從而節(jié)省了研發(fā)或購買DSP芯片的費(fèi)用，還可以方便快捷的兼容MPEG新提出的解碼標(biāo)準(zhǔn)，這是該方案最重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前國(guó)外在MP3軟解碼方面的研究有兩大成果，一個(gè)是開源MP3解碼項(xiàng)目mpg123，一個(gè)是開源嵌入式MP3解碼庫libmad。這兩個(gè)開源項(xiàng)目中使用的解碼算法參考了很多國(guó)際學(xué)術(shù)論文。前者被廣泛用于播放器軟件，例如Mplaver，千千靜聽等；后者則更加適用于嵌入式系統(tǒng)，已經(jīng)被成功移植到Symbian手機(jī)系統(tǒng)上。

1 MP3解碼算法分析
MP3解碼主要包括以下過程：預(yù)處理(Preprocessing)、霍夫曼編碼(Huffman decoding)、反量化(Requantization)、重排列(Reorder ing)、立體聲解碼(Stereo decoding)、混迭消除(Alias reduction)、反離散余弦變換(IMDCT transform)、頻域轉(zhuǎn)換(Frequency invers ion)、子帶合成濾波(Synthesis filterbank)，最后生成聲卡可以直接讀取的PCM采樣。MP3解碼流程具體如圖1所示。

2 ARM處理器以及其程序設(shè)計(jì)優(yōu)化
為了在ARM處理器下快速穩(wěn)定的運(yùn)行解碼器，除了浮點(diǎn)轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)的策略，還要根據(jù)硬件特點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)行程序優(yōu)化：首先減小運(yùn)算強(qiáng)度，利用位移操作代替乘除運(yùn)算，通常需要乘除以2的冪次方都可以用左右移n位來完成，比如3×8等價(jià)于33；利用乘法代替乘方運(yùn)算，ARM核中內(nèi)建有乘法器，因此可以通過乘法運(yùn)算來代替調(diào)用C庫函數(shù)乘方運(yùn)算以節(jié)約函數(shù)調(diào)用開銷；利用與運(yùn)算代替求余運(yùn)算。通常and指令比％操作效率要高；使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)，ARM下支持C語言inline關(guān)鍵字，這時(shí)的函數(shù)直接在調(diào)用處代碼展開，省去了函數(shù)調(diào)用開銷，不過它的缺點(diǎn)是代碼量增加；使用寄存器變量，CPU對(duì)寄存器的存取要比對(duì)內(nèi)存的存取快得多，因此為變量分配一個(gè)寄存器，將有助于代碼的優(yōu)化和運(yùn)行效率的提高。
避免除法，ARM指令集中沒有除法指令，其除法是通過調(diào)用C庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)32位的除法通常需要20～140個(gè)時(shí)鐘周期。因此，除法是程序效率的瓶頸，應(yīng)盡量避免使用。用查表法代替計(jì)算，在CPU資源緊張而內(nèi)存資源富裕的情況下，可以用空間來換取運(yùn)行速度，例如在反離散余弦變換算法中需要頻繁的計(jì)算正弦和余弦函數(shù)值，可以預(yù)先將函數(shù)值計(jì)算出來以常量放到內(nèi)存里，需要計(jì)算時(shí)直接通過內(nèi)存地址提取需要的值。

3 解碼器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在對(duì)現(xiàn)有算法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，筆者設(shè)計(jì)出一個(gè)性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)靈活、可移植性強(qiáng)的MP3軟解碼器。解碼器主要包括以下模塊：解碼器引擎初始化，緩沖區(qū)輸入輸出控制，幀解碼模塊，注銷解碼器引擎等。