基于定点DSP的MP3实时解码器的设计与实现

摘要：FD216是智原科技公司出品的一款结构与ADI公司的ADSP-2181相类似且指令集相兼容的高性价比16位定点DSP芯片。利用智能科技公司提供的开发工具包，可以方便地将C算法移植到FD216中。详细介绍了在FD216评估板上用嵌入式C语言和汇编语言混合编程的方法设计并实现基于定点DSP的MP3实时解码器的整个流程。 关键词：DSP MP3解码器 嵌入式C语言 汇编语言 1 FD216 16位定点DSP特点简介 DSP（数字信号处理器）是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器，主要用于实时快速地实现各种数字信号处理算法。FD216是一个高效能而且易于使用的16位定点DSP，包含DSP内核、芯片内建数据存储器、程序内存、两个串行接口、一个定时器、12组可编程I/O、内部直接内存存取（IDMA）接口、外部内存接口和串行式在线仿真器（SICE）接口等，兼容ADSP-218X系列汇编代码，最高运行速度可达到190MIPS。FD216的CM（Code Memory）、PM（Program Memory）和DM（Data Memory）是严格区分的，在程序设计时要将放在PM区和DM区的数据分别说明。在移植ADSP2181汇编代码时，也要做相应修改。 2 MP3及其解码原理 MPEG-1 Audio Layer 3(MP3)是一个在低比特率下提供高保真音频的压缩标准。特别是在解码部分，它已经成功地应用于多种消费类电子产品中。 MP3解码原理：首选将MP3数据帧解包，解出帧头信息和边带信息；然后采用霍夫曼解码解出比特分配信息；接着在逆变换中利用频谱系数，在综合滤波器中将32位子带合并成一个宽带信号。18个频谱值执行32位IMDCT（逆改进型离散余弦变换），将生成的576个频谱值变换成长度为32的18个连续的频谱。通过18次运算，多相位综合滤波器将这些频谱转换到时域，完成波形重构，生成立体声PCM音频数据。MP3解码流程图如图1所示。 3 开发环境 目标系统为智原科技公司提供的FD216 DSP评估板，系统环境为WIN2K，软件环境为FD2XX工具包（DSP C compiler,assembler,linker,debugger）。 图2为FD216开发系统结构框图。 4 MP3解码器系统设计 4．1 设计要求 设计要求包括以下内容： （1） 功能要求：以智原科技公司提供的FD216 DSP评估板作为目标系统，进行MP3解码器设计，标系统能实时解码采样频率为32kHz/44.1kHz/48kHz、数据码率从32到320kbps的MP3比特流。 （2） 解码精度要求：定点MP3解码精度应符合ISO/IEC 11172-4所规定的限制精度。 4． 2 硬件设计 硬件设计包括以下内容： （1） 在FD216评估板上进行正确的硬件配置。 （2） 串口0配置。FD216评估板所采用的Audio Codec是Philips公司的UDA1345TS，它与FD216的串口0相连，输出16位或8位PCM线性数据。 （3） 串行ICE（SICE）仿真调试接口。 图2 4． 3 软件设计 软件设计包括以下内容： （1） C运行时间库。C语言运行时间库（C Run Time Library）是整个C开发工具的核心之一，提供了大量的可以直接调用的库函数。 （2） 设置内存映射寄存器访问方式。 5 MP3解码器程序设计 MP3解码器程序设计包括以下内容： （1） 定点算法设计。尽管定点DSP也支持浮点运算，但浮点运算会消耗大量的指令周期和内存，也会降低系统运行速度，不能应用于MP3实时解码。在程序设计中，首先要将MP3浮点C解码算法转换为定点C解码算法。浮点算法转换成定点算法实现过程比较复杂，本文不再多述。 （2） 在程序的头部建立正确的运行头（RunTImeHeader）文件。 （3） 内存分页/重叠。与ADSP-218X类似，FD216也是通过设置重叠存储器选择寄存器（PMOVLAY/DMOVLAY）来实现PM（CM）/DM存储器分页/重叠的。 图3 FD216的内存结构图如图3所示。 FD216系统说明文件FD216.SYS说明了FD216 DSP的内存分配方式，是支持DSP程序正确运行的系统文件。 数据、代码分布/重叠应首先在HOST（PC）上对数据、代码分别进行内存分页，接着使用FD2XX开发工具包进行编译、汇编、链接，生成目标代码，然后下载到目标板上运行。 （4）中断服务子程序。FD216中断控制器允许处理器响应十二个中断之一。在MP3解码应用中使用了如下三个中断服务子程序： ①eset中断服务子程序：程序运行时，首先进入reset中断服务子程序，即从start程序开始运行，其优先级量高。 Jump start; rti;rti;rti; /*Reset */ ②ir2_get_data外部中断服务子程序：通过IDMA接口经过PCI总线从HOST（PC）硬盘读取数据的控制程序。 ③intsp0中断服务子程序：向串口0发送数据的子程序。为了实现MP3文件在系统中的实时播放，设计了双Buffer通过串口0向Audio Codec传送解码后的声音样本数据。Intsp0中断服务子程序流程图如图4所示。 （5）代码移植：将MP3解码算法C程序序植为可在FD216 DSP系统中运行的嵌入式C程序。在此需要注意以下几点： ①由于DSP系统中没有文件I/O函数，应将C程序中的文件I/O函数方式改成嵌入式系统中的内存直接读、写方式。 ②应注意数据类型的处理：将C程序中的int类型改成short或long类型，将unsigned int类型改成unsigned short或unsigned long类型，并且为了提高程序运行效率，应注意尽量少用（unsigned）long型，算法验证无误后再移植到DSP中。 ③在保证程序正确性、稳定性的前提下，应通过修改C算法和数据结构，尽量缩减C程序中表数据的尺寸，使表在DSP内存中占据的空间尽量小。 6 MP3解码器实验结论 6．1 算法复杂度（COmplexity）评测 通过仿真调试工具debugger对MP3解码器在一定条件下进行性能评估（Profile），并计算出系统所需要的MIPS（Million Instruction Per Second）。 MP3解码算法复杂度为60.01MIPS，只占了系统最大运行能力（190MIPS）的31.58%。 6.2 实验结果 实验结论：系统功能、解码速度、精度均符合设计要求，并且实现了实时解码、回放。 本文简要介绍了MP3解码原理，并详细说明了MP3在FD216定点DSP上实现实时解码的设计、开发流程。在此基础上亦可开发、实现其它格式的压缩编码数字音频解码器，如Dolby AC-3[5]、MPEG-1 Advanced Audio Coding(AAC)、Microsoft (r ) Windows Media(tm) tudio（WMA）等。利用DSP可编程特性。可以开发出多格式音频解码器，而不需要增加其它硬件。