基于A(yíng)RM平臺的MP3軟解碼算法研究與實(shí)現

摘要：為了減少功耗與降低成本，根據ARM芯片對C語(yǔ)言良好支持的特點(diǎn)，在深度剖析MP3解碼算法、分析C語(yǔ)言在A(yíng)RM芯片上編程的優(yōu)化方法的基礎上，通過(guò)軟件形式實(shí)現MP3音頻解碼器，便一些無(wú)硬件解碼器支持的ARM嵌入式系統完成MP3解碼任務(wù)，從而實(shí)現基于A(yíng)RM的嵌入式系統的MP3軟解碼器，可以有效地降低系統功耗，提高解碼效率，更好地擴展和增強便攜嵌入式系統多媒體功能。
關(guān)鍵詞：MP3解碼；ARM嵌入式系統；嵌入式多媒體；霍夫曼編碼

隨著(zhù)便攜式嵌入式系統的發(fā)展，嵌入式多媒體技術(shù)正在影響并改變著(zhù)人們的日常生活，多媒體音頻編碼解碼技術(shù)也越來(lái)越受到關(guān)注和重視。筆者提出了一種MP3音頻解碼通過(guò)軟件方式在嵌入式系統上實(shí)現的解決方案。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(shí)現能與硬件解碼相媲美的效果。從而節省了研發(fā)或購買(mǎi)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實(shí)意義。
目前國外在MP3軟解碼方面的研究有兩大成果，一個(gè)是開(kāi)源MP3解碼項目mpg123，一個(gè)是開(kāi)源嵌入式MP3解碼庫libmad。這兩個(gè)開(kāi)源項目中使用的解碼算法參考了很多國際學(xué)術(shù)論文。前者被廣泛用于播放器軟件，例如Mplaver，千千靜聽(tīng)等；后者則更加適用于嵌入式系統，已經(jīng)被成功移植到Symbian手機系統上。

1 MP3解碼算法分析
MP3解碼主要包括以下過(guò)程：預處理(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計優(yōu)化
為了在A(yíng)RM處理器下快速穩定的運行解碼器，除了浮點(diǎn)轉化為定點(diǎn)的策略，還要根據硬件特點(diǎn)進(jìn)一步進(jìn)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(lái)完成，比如3×8等價(jià)于33；利用乘法代替乘方運算，ARM核中內建有乘法器，因此可以通過(guò)乘法運算來(lái)代替調用C庫函數乘方運算以節約函數調用開(kāi)銷(xiāo)；利用與運算代替求余運算。通常and指令比％操作效率要高；使用內聯(lián)函數，ARM下支持C語(yǔ)言inline關(guān)鍵字，這時(shí)的函數直接在調用處代碼展開(kāi)，省去了函數調用開(kāi)銷(xiāo)，不過(guò)它的缺點(diǎn)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)化和運行效率的提高。
避免除法，ARM指令集中沒(méi)有除法指令，其除法是通過(guò)調用C庫函數實(shí)現，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，應盡量避免使用。用查表法代替計算，在CPU資源緊張而內存資源富裕的情況下，可以用空間來(lái)?yè)Q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值，可以預先將函數值計算出來(lái)以常量放到內存里，需要計算時(shí)直接通過(guò)內存地址提取需要的值。

3 解碼器結構設計與實(shí)現
在對現有算法進(jìn)行研究的基礎上，筆者設計出一個(gè)性能優(yōu)良、結構靈活、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，緩沖區輸入輸出控制，幀解碼模塊，注銷(xiāo)解碼器引擎等。