基于ARM 嵌入式系統(tǒng)的高保真無損音樂播放器設計

陳自龍，周書杰，湯勇明

(東南大學電子科學與工程學院，南京 210096)

嵌入式系統(tǒng)播放MP3 等有損壓縮格式音樂的技術已經(jīng)比較成熟［1～3］，但是對于播放無損壓縮音樂卻鮮有報道。

本次設計選擇基于ARM11 處理器核心的TINY6410 開發(fā)板進行，其良好的計算能力可滿足對高壓縮率音樂軟解碼的需求。針對開發(fā)板硬件資源和軟件設計要求，本設計裁剪Linux 內核并對大容量存儲器做了支持工作，研究了Linux 內核的ALSA音頻架構，移植FLAC 解碼庫和APE 解碼庫，設計了音樂播放器的用戶界面，使用Qt/Embedded 開發(fā)工具完成了播放器的軟件開發(fā)工作。

1 高保真音樂

1.1 WAV 格式

WAV 是微軟公司開發(fā)的一種音頻文件格式，用于保存WINDOWS 平臺的音頻信息資源。該格式支持MSADPCM、CCITT A LAW 等多種采樣壓縮算法，支持多種音頻位數(shù)、采樣頻率和聲道，標準格式的WAV 文件和CD 格式一樣，也是44.1 kHz 的采樣頻率，速率88 kbyte/s，16 bit 量化位數(shù)。

WAV 格式的優(yōu)點是:編/解碼簡單(幾乎直接存儲來自模/數(shù)轉換器(ADC)的信號)、多系統(tǒng)支持以及無損壓縮。

其主要缺點是需要較大的音頻存儲空間。

1.2 FLAC 格式

FLAC 是Free Lossless Audio Codec 的縮寫，即無損音頻壓縮編碼，是一套著名的自由音頻壓縮編碼，其特點是無損壓縮，即音頻數(shù)據(jù)以FLAC 編碼壓縮后不會丟失任何信息。

FLAC 解碼只需整數(shù)運算，相對于大多數(shù)音頻編碼方式而言，對計算速度要求不高。

FLAC 編碼有很多優(yōu)點:可以定位、便于對CD進行備份、抗損傷、富于彈性的Metadata 等等。而且，F(xiàn)LAC 是開源項目，其文件格式對公眾完全開放，其文件格式和編/解碼的實現(xiàn)方式都不受任何已知專利的限制。FLAC 解碼庫所有的源代碼都可在開放源代碼的授權方式下得到。

1.3 APE 格式

APE 格式的音樂是流行的數(shù)字音樂格式之一，由Monkey's Audio 推出的一套無損音樂壓縮算法壓縮而成，該壓縮算法針對音頻數(shù)據(jù)進行了專門的優(yōu)化，因而壓縮率相對比較高，而且解壓之后的音頻數(shù)據(jù)沒有任何損失。按照Monkey's Audio 官方的說法，同樣一首歌曲的APE 格式僅是WAV 格式文件大小的一半左右，比FLAC 格式文件也要小。由于APE 格式音樂的解碼涉及到浮點運算，而FLAC 格式只需要整數(shù)運算，所以通常FLAC 的解碼速度比APE 快30%。而且，APE 格式使用了對稱算法［4］，在解壓縮時還需要進行一些編碼工作，這也消耗了部分CPU和內存資源，相比之下，F(xiàn)LAC 的格式則沒有這個問題。

2 硬件系統(tǒng)

TINY6410 開發(fā)板的硬件系統(tǒng)由主控制器ARM11(S3C6410)、觸摸顯示屏、大容量存儲設備(移動硬盤、SD 卡和優(yōu)盤)、高品質音頻解碼芯片(WM9714)和功放輸出組成。其中除大容量存儲設備和觸摸顯示屏為外接設備外，其余都集成在開發(fā)板上。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

S3C6410 處理器采用ARM11 架構，主頻533 MHz，最高667 MHz。

S3C6410 的高主頻特性保證了對各音頻格式軟解碼時的要求，特別是壓縮率很高的APE 音樂。

豐富的外接存儲接口滿足了掛載多種存儲器的需求。

開發(fā)板自帶的4.3 吋TFT 真彩色觸摸顯示屏可滿足用戶的交互控制需求。

本嵌入式高保真音樂播放軟件系統(tǒng)需要消耗可觀的內存，主要原因包括:

(1)程序運行需要加載大量且必要的動態(tài)鏈接庫到內存;

(2)播放器程序的界面設計中使用了很多PNG格式的圖片以達到美觀的目的，但是加載圖片需要消耗內存;

(3)掛載外接大容量存儲設備(特別是大容量移動硬盤)也需要消耗內存。

TINY6410 自帶的128M DDR RAM 可以滿足上述所有的內存消耗。

3 軟件系統(tǒng)

本項目軟件開發(fā)部分工作從底層到上層可以依次為:操作系統(tǒng)內核裁剪、程序庫移植和編程應用、應用程序開發(fā)。圖2 給出了該軟件系統(tǒng)的框架結構。

圖2 軟件系統(tǒng)架構

3.1 Linux 內核裁剪

為了支持多種處理器和設備，Linux 內核龐大而復雜。就嵌入式高保真音樂播放器來說，內核的很多功能均未使用，將這些不必要的功能模塊從內核裁減掉，有助于提高內核的運行效率，降低內存使用率［5］。主要被裁剪的模塊有:

(1)網(wǎng)絡設備支持(以太網(wǎng)控制器驅動和無線網(wǎng)卡驅動)

(2)多媒體支持(Video for Linux 圖像采集框架以及相應的視頻采集卡驅動)

(3)輸入設備支持(鼠標和鍵盤)

(4)各種USB 設備支持(除了USB 大容量存儲器支持)

(5)不必要的文件系統(tǒng)支持(Network File Systems、Ext3 Journaling File System 等)

(6)TINY6410 開發(fā)板自帶的外接設備驅動(LED、蜂鳴器、按鍵驅動等)

經(jīng)過裁剪之后的內核鏡像大小為2 519 036 byte，相比未裁剪之前的3 689 004 byte，體積減小了約三分之一。

內核除了必要的裁剪，還需要添加對外接大容量存儲器掛載支持［6］。

無損音樂文件體積大，開發(fā)板自帶的存儲空間不能滿足需求，需要外接大容量存儲設備。

不管是優(yōu)盤、SD 卡還是移動硬盤，連接到開發(fā)板后都會有相應的內核信息產(chǎn)生，利用Linux 內核的熱插拔機制(本系統(tǒng)利用Mdev 機制，Linux 內核還有其他熱插拔機制)，運行相應的存儲分區(qū)掛載命令就可以掛載外部存儲設備到開發(fā)板上。不過，NTFS 格式的移動硬盤掛載還需要在編譯Linux 內核的時候添加NTFS 文件系統(tǒng)支持選項。

3.2 程序庫移植和編程應用

3.2.1 ALSA 庫移植和應用

對Linux 內核進行音頻編程的本質是要使用音頻驅動程序提供的編程接口，完成對聲卡的各種操作。目前Linux 內核中聲卡驅動程序主要是ALSA 架構。

ALSA 是Advanced Linux Sound Architecture 的縮寫，即高級Linux 聲音架構，它為Linux 內核提供了音頻驅動和應用程序音頻編程接口。其主要特性包括:

(1)高效地支持從消費類入門級聲卡到專業(yè)級音頻設備所有類型的音頻接口;

(2)完全模塊化的設計;

(3)支持對稱多處理(SMP)和線程安全;

(4)對OSS(Open Sound System，Linux 內核早期的音頻子系統(tǒng)架構)的兼容;

(5)提供了用戶空間的ALSA-Lib 庫來簡化應用程序的開發(fā)。

圖3 給出了ALSA 的層次結構示意。

圖3 ALSA 層次結構圖

可以看出ALSA 架構包括驅動包(ALSADriver)，開發(fā)包(ALSA-Libs)，開發(fā)包插件(ALSALib-Plugins)，設置管理工具包(ALSA-Utils)，其他聲音相關處理小程序包(ALSA-Tools))，特殊音頻固件支持包(ALSA-Firmware)，OSS 接口兼容模擬層工具(ALSA-OSS)共7個子項目，其中驅動包是必須的。

ALSA-Driver 指內核驅動程序，包括硬件相關的代碼和一些公共代碼，非常龐大。ALSA-Libs 指用戶空間編程的函數(shù)庫。ALSA-Utils 包含一些基于ALSA 的用于控制聲卡的應用程序。

在ALSA 的官網(wǎng)上下載ALSAlib 的源碼包，使用如下命令編譯ALSA 庫:

完成編譯配置之后，進行編譯:

從上面的編譯配置可以看出，指定的交叉編譯平臺是ARM，采用靜態(tài)編譯并且禁用了Python 組件，指定了ALSA Config Files和ALSA Plugin Files 路徑。

將生成的庫文件復制到板載系統(tǒng)對應的路徑中，尤其Lib和Share 文件夾需要拷貝到/usr/local/lib和/usr/share/路徑下。

3.2.2 ALSA 音頻播放編程

ALSA 架構能夠實現(xiàn)音頻的回放、錄音和混音等絕大多數(shù)音頻處理相關的功能，這里只討論音頻回放功能。

ALSA 架構播放音頻的一般編程步驟是:

(1)打開ALSA 的音頻播放接口;

(2)設置硬件參數(shù)(訪問模式、數(shù)據(jù)格式、聲道數(shù)和采樣率等);

(3)循環(huán)分次將所有PCM 數(shù)據(jù)送入聲卡設備進行播放;

(4)播放完畢，關閉播放接口。

編寫高保真音樂播放程序的思路是:先將FLAC和APE 音樂解碼(WAV 無需解碼)，然后將所得音頻數(shù)據(jù)送入聲卡設備即可實現(xiàn)播放，其流程如圖4所示。

圖4 音頻數(shù)據(jù)播放流程圖

3.3 FLAC 格式解碼支持

FLAC 的官方網(wǎng)站提供了一個開源的跨平臺FLAC 編解碼庫，使用這個庫的API 可以實現(xiàn)對FLAC 格式音樂的解碼工作。

3.3.1 FLAC 解碼庫的移植

在FLAC 官網(wǎng)下載FLAC 編解碼庫的最新版本flac－1.2.1.tar.gz，解壓后需要先修改flac－1.2.1/examples/cpp/encode/file/main.cpp 文件，否則編譯的時候會出錯。打開main.cpp，然后在開頭添加一行#include ＜cstring＞即可。接下來進行交叉編譯的配置，執(zhí)行命令:

配置結束后就可以編譯和安裝了:

這樣FLAC 庫就被安裝到宿主機的/opt/embedded/libflac 路徑下，將此路徑下編譯好的FLAC 運行庫復制到開發(fā)板上的系統(tǒng)里，并設置LD_LIBRARY_PATH 變量就可以讓運行的程序調用這個庫的API。

3.3.2 FLAC 解碼庫的編程使用

FLAC 的解碼庫提供了C 語言接口和C++語言接口，本系統(tǒng)使用C 語言接口。對一個FLAC 格式音樂文件解碼分為以下幾個步驟:

(1)申請解碼對象;

(2)初始化解碼對象;

(3)MD5值檢查(可選);

(4)FLAC 數(shù)據(jù)幀解碼;

(5)刪除解碼對象。

對應的函數(shù)分別是:

每解碼一幀數(shù)據(jù)，都有一個回調函數(shù)執(zhí)行，這個回調函數(shù)將解碼后的PCM 數(shù)據(jù)做適當調整后送入聲卡設備播放。

至于音頻參數(shù)信息的獲取則需要FLAC__Metadata_SimpleIterator 這個結構體獲得。通過FLAC__Metadata_SimpleIterator 從FLAC 文件中得到id為METADATA_BLOCK_STREAMINFO 的數(shù)據(jù)塊，然后從這個數(shù)據(jù)塊可以解析出具體的音頻參數(shù)信息對聲卡設備進行參數(shù)設置。

3.4 APE 格式解碼支持

APE 格式的官方網(wǎng)站Monkey's Audio 提供了一個Monkey's Audio SDK 開發(fā)者工具包，使用其中的API 編程可以實現(xiàn)對APE 格式音樂的編解碼工作。

3.4.1 Monkey's Audio SDK 的移植

Monkey's Audio 官方目前只是針對Windows 平臺做了支持，不過一些開源愛好者已經(jīng)將Monkey's Audio SDK 移植到Linux 平臺，我們要對這個移植版本進行編譯和安裝，使用下列命令:

從上述配置可以看出，匯編被禁用，目標平臺是ARM，并且編譯好的庫被安裝到宿主機的/opt/embedded/libape 路徑下。將這些編譯好的庫復制到開發(fā)板上的系統(tǒng)里，并設置LD_LIBRARY_PATH 變量就可以讓應用程序使用Monkey's Audio SDK 了。

3.4.2 Monkey's Audio SDK 的編程

由于只需要進行解碼工作，所以這里只涉及到解碼API 的使用。Monkey's Audio SDK 使用C++語言編寫，要解碼APE 格式音樂，使用其解碼類“IAPEDecompress”即可。APE 的解碼接口只需調用“IAPEDecompress”類的“GetData()”函數(shù)、“Seek()”函數(shù)、“GetInfo()”函數(shù)即可，所有的數(shù)據(jù)同步和緩沖都由解碼庫自動完成。

3.5 播放器應用程序開發(fā)

本設計中的應用程序采用C++開發(fā)語言在Qt/Embedded 開發(fā)平臺上實施。它是一個用于桌面系統(tǒng)和嵌入式開發(fā)的跨平臺應用程序框架，包括一個直觀的應用接口程序函數(shù)(API)和一個豐富的類庫，以及用于GUI 開發(fā)和國際化的集成工具。

3.5.1 程序功能描述

本項目軟件旨在實現(xiàn)一個功能完善的高保真無損音樂播放系統(tǒng)。

當用戶按下電源按鈕啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)第一個執(zhí)行的用戶程序就是高保真音樂播放器程序。此程序掃描所有外接存儲器中的無損壓縮音樂文件，并生成一個音樂列表，保存掃描結果。這樣以后再啟動程序時，程序只需要讀取這個音樂列表得到所有的歌曲信息。如果外接存儲器發(fā)生變更或改動后，用戶可以啟動播放器的更新音樂庫線程來更新音樂列表。這種設計在保持音樂文件同步的同時，減少掃描等待時間，提升用戶體驗。

用戶可以進行播放、暫停、停止、上一曲、下一曲、播放進度調節(jié)和音量調節(jié)的控制等操作。歌曲的選擇通過一個簡潔、美觀的播放列表實現(xiàn)，同時，對某一首歌曲的詳細信息(如專輯、歌手、音樂流派等)也可以進一步查看。

作為一個完整的系統(tǒng)設計，播放器主界面還提供了時間日期顯示和設置、關機和更新本地音樂庫等系統(tǒng)服務和功能。

3.5.2 界面設計

隨著軟件設計水平的提升，用戶不僅關注軟件的實用性，對軟件界面設計的美觀性和易用性也有著較高的要求。

本嵌入式高保真音樂播放器界面設計以簡約、美觀為主，配合以陰影、半透明和動畫等效果，在實現(xiàn)系統(tǒng)完整功能的基礎上，帶給用戶良好的人機交互體驗。

主界面、播放列表界面、單曲信息查看界面等設計如圖5～7所示，其它一些界面元素設計如圖8所示。

3.5.3 應用程序設計

本應用程序涉及到Qt 界面編程、多線程處理、Linux 內核音頻編程以及無損壓縮音頻軟解碼等，其程序模塊化設計如圖9所示。

圖5 播放器主界面

圖6 音樂列表界面

圖7 單曲信息查看界面

圖8 播放器界面元素綜合圖

圖9 程序模塊劃分圖

可以將上述模塊粗略地劃分為:

(1)界面顯示模塊;

(2)音樂播放控制模塊;

(3)音頻解碼模塊;

(4)系統(tǒng)設置和服務模塊。

界面顯示模塊是播放器人機交互的接口。通過繼承Qt 的QWidget 類，并實現(xiàn)相應的繪圖函數(shù)和消息處理，可以實現(xiàn)各種界面元素和控件，有了這些最基本的界面元素和控件，同時利用Qt 特有的“信號/槽”機制作為中間“通信”工具，不難構造出完整的程序界面［7］。

音樂播放控制模塊是整個高保真音樂播放器的核心，利用Qt 自帶的多線程處理機制，可以實現(xiàn)音樂播放與界面顯示的隔離，不會產(chǎn)生界面凍結和卡死問題。

通過繼承Qt 的QThread 線程類，并按程序需要完善其“run”函數(shù)，可以比較容易的實現(xiàn)多線程處理，例如音樂播放模塊的“run”函數(shù)代碼如下:

上述代碼比較簡單，就是按要播放的音樂格式，分別調用相應的處理函數(shù)，其中對于FLAC 格式的音樂，其播放處理函數(shù)“processFlacMusic”代碼如下:

這段代碼根據(jù)不同的播放狀態(tài)進行處理的過程:在播放狀態(tài)時不斷解碼;在暫停狀態(tài)時不進行解碼，并使線程睡眠;在停止狀態(tài)時復位flac 解碼器對象并返回，結束播放線程。對于WAV 格式和APE格式音樂的播放處理完全類似，不再贅述。

音頻解碼模塊是音樂播放模塊的基礎，能對FLAC 格式和APE 格式音樂進行順序解碼以及隨機位置解碼，并將解碼后的音頻采樣數(shù)據(jù)返回給音樂播放模塊。順序解碼滿足正常的音樂播放功能，隨機位置解碼可以滿足播放進度調節(jié)功能。此外，解碼模塊可以獲得音頻文件的參數(shù)信息(采樣率、采樣位數(shù)、聲道數(shù)等)和專輯信息(專輯名稱、歌手、流派、發(fā)行時間等)。播放模塊會根據(jù)參數(shù)信息對聲卡設備進行設置，否則音樂無法正確播放，而專輯信息則可以以圖文并茂的方式呈現(xiàn)給用戶，提升用戶體驗。

系統(tǒng)設置和服務模塊是為了系統(tǒng)的完整性而存在的。由于整個系統(tǒng)運行時只有高保真音樂播放器作為前臺程序運行，必須提供必要的關機和時間日期設置功能。同時，為了使程序更加人性化，還提供了時間日期顯示功能和關閉屏幕功能。作為嵌入式應用，功耗是重要的設計問題，就整個硬件系統(tǒng)而言，屏幕的功耗占了整個系統(tǒng)功耗的相當一部分，如果在用戶不需要查看屏幕時，將屏幕關閉，可有效降低系統(tǒng)功耗。

4 系統(tǒng)驗證

在完成系統(tǒng)設計的硬件和軟件工作目標后，對該嵌入式高保真無損音樂播放器進行試聽驗證。對于16 bit或24 bit 采樣位數(shù)，采樣頻率上限為48 kHz 的無損高保真音樂均可順利播放。用戶界面操作流暢，沒有崩潰或卡死現(xiàn)象發(fā)生。播放器順利加載1TB 移動硬盤中的1600 首無損高保真音樂。

5 結束語

基于ARM11 開發(fā)板和嵌入式Linux 內核，本文給出了一個界面美觀，功能齊全的高保真音樂播放器設計，實現(xiàn)了WAV、FLAC、APE 三種無損格式高保真音樂的播放，提升了嵌入式系統(tǒng)音樂播放的視聽感受。限于S3C6410 芯片的AC'97 音頻控制模塊最高只支持48 kHz 采樣頻率的音頻，所以造成了高保真無損音樂播放的采樣率瓶頸?？梢钥紤]使用S3C6410 芯片的IIS 音頻接口(采樣位數(shù)支持8/16/24 bit，采樣率支持從8 kHz 到192 kHz)，外接高品質音頻解碼芯片［8］的方案，獲得更好的高保真無損音樂播放體驗。

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