基于ARM946E處理器的MP3解碼優化設計

0 引 言

MP3(MPEG I Audio Layer 3)格式是基于電影專家組系統(Motion Picture Expert Group，MPEG)壓縮標準的一種聲音文件格式，其壓縮比根據采樣頻率、壓縮位率和聲音模式的不同而有所變化。MP3具有很高的壓縮率，可以達到1：12。一分鐘左右的CD音樂經過MP3格式壓縮編碼后，可以壓縮到1兆左右的容量，其音色和音質還可以保持基本完整而不失真。隨著數字音樂的不斷普及，現在MP3音樂已經不僅局限于MPEG視頻應用中，而是以一種獨立的數字音樂壓縮技術出現在計算機、網絡和各種電子設備上。目前市場流行的MP3播放器是基于DSP和專用芯片的解決方案，通過硬件或專用算法實現解碼，具有良好的實時性。而消費類電子產品正朝著多功能、低成本的方向發展。隨著ARM9功能的不斷增強，利用系統本身處理器實現MP3軟解碼成為可能。另外，軟件實現更便于產品功能的升級和維護，可以預見，嵌入式MP3軟解碼器的應用將越來越廣泛。這里在分析MPEG I Audio Lay-er3解碼算法的基礎上，提出基于ARM946E處理器實現解碼算法的軟件優化方法。

1 MPEG Audio Layer3的解碼流程
MP3解碼算法流程如圖1所示。

主要過程包括：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個過程在MP3解碼過程中占用了最多的CPU和內存資源，是嵌入式系統實現軟件解碼的關鍵。

2 ARM946E處理器
ARM946E處理器屬于ARM9內核帶有E擴展的一個可綜合版本，執行v5TE架構指令。采用5級流水線，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。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個存儲器保護單元(MPU)、高速緩存(Cache)和寫緩沖(Write Buffer)；CPU通過該子系統與系統存儲器相連。

相對于ARM7，ARM9E性能上的提高主要表現在工作頻率、改進的硬件特性及優化的指令執行效率。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)換來非常實用的DSP性能。充分利用好芯片資源是實現MP3解碼優化的關鍵。

3 算法優化
針對MP3中涉及較大運算的Huffman解碼與反量化、IMDCT和子帶合成，分別提出算法優化處理。3．1 定長查找冗余表Huffman解碼算法Huffman解碼器可以通過從頭至尾逐一檢測各符號，以查表比較的方式進行解碼。即從一維的bit流中分辨出各個長度不同的Huffman碼字，然后進行復雜的匹配。
由于LayeIⅢ中的Huffman碼表組長度不一，會增加碼字的搜索時間。定長查找冗余表法擴充Huff_man查找表，每次選取定長N bit碼流作為查找索引。查找表中包括跳轉指針和編碼值。若節點索引值為跳轉指針時，將通過擴充Huff-man查找表得知此Huffman編碼的后續bit數，并跳轉到另外一個節點；然后再根據后續bit數從碼流中取值；接著從上次跳轉節點開始查找，如此重復直到找出對應huffman編碼的內容。查找表利用Union數據結構實現，可減小Huffman表占用的空間。假設一Huff-man編碼長度為l，采用傳統算法需要1次移位操作和1次比較，使用定長查找法只需[z／N]次查找和[l／N]次比較操作。
表1，表2是Huffman解碼的舉例說明：