基于A(yíng)RM946E處理器的MP3解碼優(yōu)化系統設計
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1 MPEG Audio Layer3的解碼流程
MP3解碼算法流程如圖1所示。
主要過(guò)程包括：數據流解碼、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(gè)過(guò)程在MP3解碼過(guò)程中占用了最多的CPU和內存資源，是嵌入式系統實(shí)現軟件解碼的關(guān)鍵。
2 ARM946E處理器
ARM946E處理器屬于A(yíng)RM9內核帶有E擴展的一個(gè)可綜合版本，執行v5TE架構指令。采用5級流水線(xiàn)，存儲器系統根據哈佛體系結構重新設計，獨立的數據和指令總線(xiàn)。帶有一套存儲器子系統，以提高系統性能和支持大型操作系統。
如圖2所示，存儲器子系統包含1個(gè)存儲器保護單元(MPU)、高速緩存(Cache)和寫(xiě)緩沖(Write Buffer)；CPU通過(guò)該子系統與系統存儲器相連。
相對于A(yíng)RM7，ARM9E性能上的提高主要表現在工作頻率、改進(jìn)的硬件特性及優(yōu)化的指令執行效率。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(lái)非常實(shí)用的DSP性能。充分利用好芯片資源是實(shí)現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(cháng)查找冗余表Huffman解碼算法
Huffman解碼器可以通過(guò)從頭至尾逐一檢測各符號，以查表比較的方式進(jìn)行解碼。即從一維的bit流中分辨出各個(gè)長(cháng)度不同的Huffman碼字，然后進(jìn)行復雜的匹配。
由于LayerⅢ中的Huffman碼表組長(cháng)度不一，會(huì )增加碼字的搜索時(shí)間。定長(cháng)查找冗余表法擴充Huff—man查找表，每次選取定長(cháng)N bit碼流作為查找索引。查找表中包括跳轉指針和編碼值。
若節點(diǎn)索引值為跳轉指針時(shí)，將通過(guò)擴充Huffman查找表得知此Huffman編碼的后續bit數，并跳轉到另外一個(gè)節點(diǎn)；然后再根據后續bit數從碼流中取值；接著(zhù)從上次跳轉節點(diǎn)開(kāi)始查找，如此重復直到找出對應huffman編碼的內容。查找表利用Union數據結構實(shí)現，可減小Huffman表占用的空間。假設一Huffman編碼長(cháng)度為1，采用傳統算法需要1次移位操作和1次比較，使用定長(cháng)查找法只需[l／N]次查找和[l／N]次比較操作。
表1，表2是Huffman解碼的舉例說(shuō)明：
若Huffman編碼為000000001010(內容為“DAB”)，定長(cháng)N=3，即每次從碼流中取3 b數據，解碼步驟如下：
(1)取3 b數據000，從Huffman查找表檢索，000對應為指針類(lèi)型，指向表項號8，標志位為0，說(shuō)明沒(méi)有取到1個(gè)完整的Huffman編碼，后續仍有3 b數據；
(2)繼續取3 b數據000，從Huffman查找表的第8項開(kāi)始檢索，索引值為000對應的內容為“D”，此時(shí)標志位為1，即表示已完成1次Huffman解碼；
(3)取3 b數據001，對應表內的第1項，標志位為1說(shuō)明已取完該個(gè)Huffman編碼，表項內容為“A”；
(4)取3 b數據010，對應表內的第2項，表項內容為“B”。
至此，已完整從Huffman編碼“000000001010”解碼出“DAB”的內容。
3.2 IMDCT與合成子帶濾波的簡(jiǎn)化算法
反離散修正余弦變換(IMDCT)是在去混疊處理之后進(jìn)行的，它的計算公式如式(1)所示：
子帶合成濾波在解碼過(guò)程中包括了32點(diǎn)到64點(diǎn)的IMDCT處理，如式(3)所示：
由于N(i)(k)具有對稱(chēng)特性，可以得出：
只要計算0≤in／4和n／2+1≤i3n／4范圍的V(i)值即可。其減少了將近一半的計算量。
4代碼優(yōu)化
根據ARM946E處理器硬件特點(diǎn)，對實(shí)時(shí)性要求較高的關(guān)鍵程序進(jìn)行C語(yǔ)言和ARM匯編級代碼優(yōu)化。
4.1減計數循環(huán)體
IMDCT和子帶合成濾波器組2個(gè)運算量最大部分中有多個(gè)循環(huán)體運算，為了提高執行效率，推薦使用減計數循環(huán)體。
如表3所示，對于固定次數的循環(huán)，減計數循環(huán)比增計數循環(huán)速度快。這是因為每次增計數循環(huán)體外加3條指令，而減計數循環(huán)體外只有2條指令，減循環(huán)終止條件為減計數到零，而不是計數增加到某個(gè)特定的限制值。由于減計數結果已存儲在指令條件標志里，省去與零比較指令。
4.2 內聯(lián)函數和內嵌匯編
MP3解碼算法中定點(diǎn)化乘法都是通過(guò)函數調用來(lái)實(shí)現，每次調用需要開(kāi)銷(xiāo)23～28個(gè)時(shí)鐘周期，其中超過(guò)15個(gè)周期用于函數調用時(shí)PC指針以及寄存器壓棧保護上。采用內聯(lián)函數方式(使用關(guān)鍵字_inline聲明)或宏指令，在編譯階段代碼段將被直接展開(kāi)。另外armcc編譯器允許在C源程序中使用內嵌匯編(但代碼可移植性差)，使用包括匯編的內嵌函數，可以使編譯器支持通常不能有效使用的ARM指令和優(yōu)化方法，例如C編譯器不支持的ARM v5E擴展指令。使用內聯(lián)函數結合內嵌匯編實(shí)現移位乘法，可使平均時(shí)鐘周期縮短為6～8個(gè)。
4.3 ARM DSP擴展指令的運用
ARM946E處理器支持ARM DSP擴展指令，主要包括3個(gè)類(lèi)型：
(1)單周期的16×16和32×16 MAC操作；
(2)對原有的算術(shù)運算指令增加了飽和處理擴展；
(3)前導零(CLZ)運算指令，提高歸一化、浮點(diǎn)運算以及除法操作的性能。
ARM處理器不支持浮點(diǎn)運算，經(jīng)過(guò)測試及分析，定點(diǎn)運算中數值的截斷誤差選擇為28 b，其可以達到較好的解碼音質(zhì)，不會(huì )因為爆音過(guò)多而影響播放效果。
完成類(lèi)似的乘法功能，ARM的SMULL(32×32)指令需要3個(gè)周期，而ARM DSP擴展指令SMULWT(32×16)只需要1個(gè)周期。從數據的準確性上分析，由于乘數的精度為16 b，最終結果有些差異，但由于MP3解碼運算都是基于28 b的定點(diǎn)數值的，所以通常的運算都是一個(gè)運算結果跟某一個(gè)固定定點(diǎn)表中的數據相乘的。若選擇固定定點(diǎn)表中數據的高16 b數據進(jìn)行運算，運算的結果誤差在1 b以?xún)取?BR>
為了驗證使用ARM DSP擴展指令的優(yōu)化效果，在系統120 MHz主頻下，以128 Kb／s的壓縮速率進(jìn)行編碼測試，采用的測試文件如表4所示。
上述3個(gè)MP3測試文件的比特率均為128 Kb／s，使用這三首MP3歌曲進(jìn)行解碼分析結果如圖3所示。
實(shí)驗表明，使用ARM DSP擴展指令比使用ARM一般指令解碼性能平均提高17.5％，主觀(guān)聽(tīng)覺(jué)上音質(zhì)效果無(wú)差異。
5 結 語(yǔ)
這里充分利用ARM946E處理器的DSP擴展指令特點(diǎn)提高程序代碼的執行效率，對3個(gè)關(guān)鍵模塊：Huffman解碼，IMDCT運算，合成子帶濾波進(jìn)行算法優(yōu)化及簡(jiǎn)化處理，減少了各模塊的運算量，同時(shí)從C語(yǔ)言和ARM匯編層次來(lái)優(yōu)化代碼，取得了較好的實(shí)時(shí)MP3解碼效果。
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