基于定點DSP的MP3實時解碼器的設計與實現

1 FD216 16位定點DSP特點簡介

DSP（數字信號處理器）是一種特別適合于進行數字信號處理的微處理器，主要用于實時快速地實現各種數字信號處理算法。FD216是一個高效能而且易于使用的16位定點DSP，包含DSP內核、芯片內建數據存儲器、程序內存、兩個串行接口、一個定時器、12組可編程I/O、內部直接內存存取（IDMA）接口、外部內存接口和串行式在線仿真器（SICE）接口等，兼容ADSP-218X系列匯編代碼，最高運行速度可達到190MIPS。FD216的CM（Code Memory）、PM（Program Memory）和DM（Data Memory）是嚴格區分的，在程序設計時要將放在PM區和DM區的數據分別說明。在移植ADSP2181匯編代碼時，也要做相應修改。

2 MP3及其解碼原理

MPEG-1 Audio Layer 3(MP3)是一個在低比特率下提供高保真音頻的壓縮標準。特別是在解碼部分，它已經成功地應用于多種消費類電子產品中。

MP3解碼原理：首選將MP3數據幀解包，解出幀頭信息和邊帶信息；然后采用霍夫曼解碼解出比特分配信息；接著在逆變換中利用頻譜系數，在綜合濾波器中將32位子帶合并成一個寬帶信號。18個頻譜值執行32位IMDCT（逆改進型離散余弦變換），將生成的576個頻譜值變換成長度為32的18個連續的頻譜。通過18次運算，多相位綜合濾波器將這些頻譜轉換到時域，完成波形重構，生成立體聲PCM音頻數據。MP3解碼流程圖如圖1所示。

3 開發環境

目標系統為智原科技公司提供的FD216 DSP評估板，系統環境為WIN2K，軟件環境為FD2XX工具包（DSP C compiler,assembler,linker,debugger）。

圖2為FD216開發系統結構框圖。

4 MP3解碼器系統設計

4．1 設計要求

設計要求包括以下內容：

（1） 功能要求：以智原科技公司提供的FD216 DSP評估板作為目標系統，進行MP3解碼器設計，標系統能實時解碼采樣頻率為32kHz/44.1kHz/48kHz、數據碼率從32到320kbps的MP3比特流。

（2） 解碼精度要求：定點MP3解碼精度應符合ISO/IEC 11172-4所規定的限制精度。

4． 2 硬件設計

硬件設計包括以下內容：

（1） 在FD216評估板上進行正確的硬件配置。

（2） 串口0配置。FD216評估板所采用的Audio Codec是Philips公司的UDA1345TS，它與FD216的串口0相連，輸出16位或8位PCM線性數據。

（3） 串行ICE（SICE）仿真調試接口。

圖2

4． 3 軟件設計

軟件設計包括以下內容：

（1） C運行時間庫。C語言運行時間庫（C Run Time Library）是整個C開發工具的核心之一，提供了大量的可以直接調用的庫函數。

（2） 設置內存映射寄存器訪問方式。

5 MP3解碼器程序設計

MP3解碼器程序設計包括以下內容：

（1） 定點算法設計。盡管定點DSP也支持浮點運算，但浮點運算會消耗大量的指令周期和內存，也會降低系統運行速度，不能應用于MP3實時解碼。在程序設計中，首先要將MP3浮點C解碼算法轉換為定點C解碼算法。浮點算法轉換成定點算法實現過程比較復雜，本文不再多述。

（2） 在程序的頭部建立正確的運行頭（RunTImeHeader）文件。

（3） 內存分頁/重疊。與ADSP-218X類似，FD216也是通過設置重疊存儲器選擇寄存器（PMOVLAY/DMOVLAY）來實現PM（CM）/DM存儲器分頁/重疊的。

圖3

FD216的內存結構圖如圖3所示。

FD216系統說明文件FD216.SYS說明了FD216 DSP的內存分配方式，是支持DSP程序正確運行的系統文件。

數據、代碼分布/重疊應首先在HOST（PC）上對數據、代碼分別進行內存分頁，接著使用FD2XX開發工具包進行編譯、匯編、鏈接，生成目標代碼，然后下載到目標板上運行。

（4）中斷服務子程序。FD216中斷控制器允許處理器響應十二個中斷之一。在MP3解碼應用中使用了如下三個中斷服務子程序：

①eset中斷服務子程序：程序運行時，首先進入reset中斷服務子程序，即從start程序開始運行，其優先級量高。

Jump start; rti;rti;rti; /*Reset */

②ir2_get_data外部中斷服務子程序：通過IDMA接口經過PCI總線從HOST（PC）硬盤讀取數據的控制程序。

③intsp0中斷服務子程序：向串口0發送數據的子程序。為了實現MP3文件在系統中的實時播放，設計了雙Buffer通過串口0向Audio Codec傳送解碼后的聲音樣本數據。Intsp0中斷服務子程序流程圖如圖4所示。

（5）代碼移植：將MP3解碼算法C程序序植為可在FD216 DSP系統中運行的嵌入式C程序。在此需要注意以下幾點：

①由于DSP系統中沒有文件I/O函數，應將C程序中的文件I/O函數方式改成嵌入式系統中的內存直接讀、寫方式。

②應注意數據類型的處理：將C程序中的int類型改成short或long類型，將unsigned int類型改成unsigned short或unsigned long類型，并且為了提高程序運行效率，應注意盡量少用（unsigned）long型，算法驗證無誤后再移植到DSP中。

③在保證程序正確性、穩定性的前提下，應通過修改C算法和數據結構，盡量縮減C程序中表數據的尺寸，使表在DSP內存中占據的空間盡量小。

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6 MP3解碼器實驗結論

6．1 算法復雜度（COmplexity）評測

通過仿真調試工具debugger對MP3解碼器在一定條件下進行性能評估（Profile），并計算出系統所需要的MIPS（Million Instruction Per Second）。

MP3解碼算法復雜度為60.01MIPS，只占了系統最大運行能力（190MIPS）的31.58%。

6.2 實驗結果

實驗結論：系統功能、解碼速度、精度均符合設計要求，并且實現了實時解碼、回放。

本文簡要介紹了MP3解碼原理，并詳細說明了MP3在FD216定點DSP上實現實時解碼的設計、開發流程。在此基礎上亦可開發、實現其它格式的壓縮編碼數字音頻解碼器，如Dolby AC-3[5]、MPEG-1 Advanced Audio Coding(AAC)、Microsoft (r ) Windows Media(tm) tudio（WMA）等。利用DSP可編程特性。可以開發出多格式音頻解碼器，而不需要增加其它硬件。