基于ARM平臺的MP3軟解碼算法研究與實現(xiàn)

王飛飛，孫志遠

（平頂山學院 河南 平頂山 467000）

隨著便攜式嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，嵌入式多媒體技術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也越來越受到關注和重視[1－2]。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，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芯片的費用，還可以方便快捷的兼容MPEG新提出的解碼標準，這是該方案最重要的現(xiàn)實意義。

目前國外在MP3軟解碼方面的研究有兩大成果，一個是開源MP3解碼項目mpg123，一個是開源嵌入式MP3解碼庫libmad。這兩個開源項目中使用的解碼算法參考了很多國際學術論文。前者被廣泛用于播放器軟件，例如Mplayer，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手機系統(tǒng)上。

1 MP3解碼算法分析

MP3解碼主要包括以下過程：預處理（Preprocessing）、霍夫曼編碼（Huffman decoding）、反量化（Requantization）、重排列 （Reordering）、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 inversion）、子帶合成濾波 （Synthesis filter bank），最后生成聲卡可以直接讀取的PCM采樣[3]。MP3解碼流程具體如圖1所示。

2 ARM處理器以及其程序設計優(yōu)化

為了在ARM處理器下快速穩(wěn)定的運行解碼器，除了浮點轉(zhuǎn)化為定點的策略，還要根據(jù)硬件特點進一步進行程序優(yōu)化：首先減小運算強度，利用位移操作代替乘除運算，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等價于 3＜＜3；利用乘法代替乘方運算，ARM核中內(nèi)建有乘法器，因此可以通過乘法運算來代替調(diào)用C庫函數(shù)乘方運算以節(jié)約函數(shù)調(diào)用開銷；利用與運算代替求余運算。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關鍵字，這時的函數(shù)直接在調(diào)用處代碼展開，省去了函數(shù)調(diào)用開銷，不過它的缺點是代碼量增加；使用寄存器變量，CPU對寄存器的存取要比對內(nèi)存的存取快得多，因此為變量分配一個寄存器，將有助于代碼的優(yōu)化和運行效率的提高。

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)實現(xiàn)，一個32位的除法通常需要20～140個時鐘周期。因此，除法是程序效率的瓶頸，應盡量避免使用。用查表法代替計算，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行速度，例如在反離散余弦變換算法中需要頻繁的計算正弦和余弦函數(shù)值，可以預先將函數(shù)值計算出來以常量放到內(nèi)存里，需要計算時直接通過內(nèi)存地址提取 需要的值[4－5]。

3 解碼器結(jié)構設計與實現(xiàn)

在對現(xiàn)有算法進行研究的基礎上[6－9]，筆者設計出一個性能優(yōu)良、結(jié)構靈活、可移植性強的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。

3.1 解碼器引擎初始化

用MP3文件初始化解碼器，初始化過程中，解碼器讀取每一幀的幀頭信息而不對數(shù)據(jù)進行解碼，快速計算出該文件的播放時間，并根據(jù)文件大小以秒或分鐘為單位內(nèi)建解碼位置索引。解碼位置索引的目的是為了快速的根據(jù)時間定位待解碼數(shù)據(jù)在文件中的位置。

3.2 緩沖區(qū)輸入輸出控制

考慮到嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存較小的情況，解碼器輸入緩沖區(qū)定義為8 kB，這樣既可以流暢的解碼數(shù)據(jù)，又不會暫用很大緩沖區(qū)內(nèi)存，解碼引擎以bit為單位讀取數(shù)據(jù)，所以輸入控制應該實現(xiàn)快速讀取緩沖區(qū)中1個或多個bit數(shù)據(jù)的操作。

對于文件形式的MP3數(shù)據(jù)，在解碼器輸入緩沖區(qū)上層內(nèi)建一個文件緩沖結(jié)構，減少系統(tǒng)IO操作次數(shù)，首先將文件中一部分待解碼數(shù)據(jù)讀入文件緩沖，當解碼引擎發(fā)出數(shù)據(jù)請求時，由文件緩存向解碼器輸入緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)。

文件緩沖提供以下操作：

文件緩沖創(chuàng)建：以打開的文件指針創(chuàng)建文件緩沖區(qū)，返回緩沖結(jié)構指針。

緩沖區(qū)注銷：釋放緩沖區(qū)創(chuàng)建時的在堆中申請的內(nèi)存，并關閉打開的文件指針。

緩沖區(qū)結(jié)束判斷：當緩沖區(qū)讀取指針到達緩沖區(qū)結(jié)尾時，eof被復制為真，返回eof的值。

獲取緩沖區(qū)操作錯誤：每次操作中，若出現(xiàn)錯誤error被賦值為對應的錯誤值，否則賦值為0。返回error的值。

讀取指定大小的內(nèi)容：從緩沖區(qū)當前讀取位置，讀取指定大小的字節(jié)，并返回讀取到的數(shù)據(jù)開始位置指針。

對于以流形式的MP3數(shù)據(jù)，當解碼引擎發(fā)出數(shù)據(jù)請求時，直接由數(shù)據(jù)流緩存向解碼器輸入?yún)^(qū)寫入數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流緩存提供的功能有以下幾點：

初始化：該功能申請堆中的一塊內(nèi)存，用于以后存放緩存數(shù)據(jù)。

注銷：負責釋放初始化時申請的內(nèi)存。

寫入數(shù)據(jù)：向緩存的當前寫入位置后寫入指定大小的數(shù)據(jù)。

跳過指定大小數(shù)據(jù)：將當前讀取位置移動到指定位置。

獲取錯誤信息：返回操作過程中產(chǎn)生的錯誤信息。

幀同步：將讀取位置跳轉(zhuǎn)到下一幀開始位置。該操作的主要算法是每次讀取緩存11個比特，若這些比特全為1，則把其當做下一幀的開始位置。通過研究可知，該種算法并不能準確判斷下一幀的開始，但這種算法不進行幀頭解碼，也不會漏掉數(shù)據(jù)。從時間和空間上講，都是一種比較好的選擇。

解碼引擎以幀為解碼單位，每次輸出一幀的解碼輸出結(jié)構，結(jié)構中包括pcm數(shù)據(jù)、長度、采樣率、聲道數(shù)，播放時間等信息。

3.3 幀解碼模塊

該模塊為解碼引擎核心模塊，按照順序完成預處理、霍夫曼編碼、反量化、重排列、立體聲解碼、混迭消除、反離散余弦變換、頻域轉(zhuǎn)換、子帶合成濾波，最后生成聲卡可以直接讀取的PCM采樣。

從系統(tǒng)設計的角度上，該模塊又可以劃分為幾個小模塊：浮點計算模塊、幀預處理模塊、霍夫曼解碼模塊、層解碼模塊、濾波合成模塊。

3.4 注銷解碼器引擎

該模塊負責釋放解碼器申請的內(nèi)存，刪除解碼器內(nèi)建的播放索引，復位緩沖區(qū)。在解碼完成后調(diào)用。

3.5 解碼器外部調(diào)用接口

解碼器提供了簡潔而功能強大的調(diào)用接口，主要包括初始化、注銷、單幀解碼、IO控制、解碼時間控制幾個方面，具體如表1所示。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)MPEG官方文檔，詳細剖析了MP3幀解碼的算法及其優(yōu)化，并在上述基礎上設計軟件解碼器接口，在ARM平臺上實現(xiàn)了軟件解碼器。本解碼器具有無浮點計算、引入文件緩存機制、內(nèi)建解碼位置索引等優(yōu)點。但是也存在一定的局限性：如時間精度低，解碼器沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，但是提供了流解碼接口，如果需要播放網(wǎng)絡上的MP3文件，需要在解碼器的上層設計網(wǎng)絡引擎。

表1 解碼器外部調(diào)用接口Tab.1 External call interface of decoder

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