基于TMS320VC5509實現MP3解碼

　TMS320VC5509（以下簡稱C5509）是TI公司C5000 DSP 系列中的新一代產品，該芯片最低工作電壓為0.9V，其核的最低功耗僅為0.05MW/MIPS，性能最高可達800 MIPS。C5509為嵌入式DSP應用及高性能儀器儀表、智能機器人、手持設備、數字音頻播放器和數碼相機等應用提供了有效的解決方案。MP3是指MPEG（活動圖像專家組）國際標準音頻第三層編/解碼，MP3編碼是通過將音頻信號由時域信號轉換為頻域信號，并根據人類心理聲學特征去除部分冗余信息實現的，ISO/IEC11172-3 Part 3給出了詳細的編/解碼標準。解碼涉及霍夫曼解碼、修正余弦反變換（IMDCT）、子帶合成等復雜運算模塊。本文利用C5509實現對MP3的解碼運算。

　　1 C5509 DSP 處理器的特點和工作原理

　　1.1 C5509 DSP的性能概述

　　C5509有32×16bit指令緩沖隊列，可實現高效的塊循環操作；兩個17×17bit的MAC單元，可在單周期內執行兩次MAC操作；1個40bit的ALU、1個40bit的桶型移位器，4個40bit的累加器可執行比C54系列DSP更高效的算術運算，在400MHz的晶振驅動下，可達到800MIPS的性能。以44.1kHz采樣率的MP3數據流為例，對128kbit/s數據率的MP3數據進行解碼。霍夫曼解碼、IMDCT、子帶合成等運算模塊共需消耗1.3MIPS的CPU資源，對于平均每秒必須解碼44.6幀數據來講，總運算量為44.6×1.3＝57.98MIPS，C5509完全可以滿足此速度要求。

　　C5509還具有128K×16bit的片上RAM，其中包括64KB的DARAM、192KB的SARAM和64KB的片上ROM。

　　與眾多TMS320系列DSP處理器一樣，C5509采用了哈佛結構，共有12組獨立總線，其中包括3組數據讀總線、2組數據寫總線、5組數據地址總線、1組程序讀總線和1組程序地址總線，這些總線并行地為各個計算單元提供指令和操作碼，從而為高速的數據運算提供了有力的保障。

　1.2 C5509 DSP的外設介紹

　　C5509提供了專用的外部存儲器接口（EMIF），用于控制DSP與外部存儲器之間所有數據的傳輸。可與EMIF無縫鏈接的存儲器有：異步存儲器（ROM、FLASH、 SRAM）、同步突發SRAM、同步DRAM（SDRAM），并可支持可選的32、16、8位數據訪問。對EMIF編程時，必須根據實際的外部存儲器考慮如何分配片內使能空間(CE)。通過EMIF接口，主處理器可將數據和程序置于片外，從而節省了片上硬件資源。

　　其次，C5509有3個獨立的多通道緩存串口（McBSP），使得C5509能夠直接與其他C55xx系列DSP、多媒體數字信號編解碼器等設備高速互連，這些McBSP可以提供全速雙工通信，并支持128通道的收發，接收或者發送可以選擇使用獨立的時鐘，字寬為8、12、16、20、24位任選。

　　為保證與常見的異步通信模塊進行數據通信，C5509提供了與TL16C550C等專用異步通信接口IC互連的UART，外部數據經由TL16C550C進出DSP的UART，最終交給片內CPU處理。圖1為與C5509配合使用的典型專用異步通信接口IC（TL16C550C）的管腳圖。

　　C5509的UART每接到數據就會產生相應的中斷請求，通知CPU及時采集數據，將Rx線上的串行數據放入接收寄存器中，在滿足緩沖區長度后，寄存器的并行數據再交給CPU做后續處理。

　　2 解碼算法說明

　　2.1 MP3文件的格式

　　MP3文件以幀為基本單位，每幀的構成如表1所示。由于MP3文件數據格式采用了比特池技術，故主數據有可能在幀頭之前，具體位置可由幀邊信息所包含的main_data_begin變量獲得。

?

　解碼時首先將一定長度（本系統為2kbit）的數據讀入C5509的內部RAM中，然后尋找幀的同步字sync_word（FFF）。如果找到同步字，則以其為首的32bit即為幀頭。由幀頭中的校驗位可知是否有校驗數據，如無，則其后的256bit數據即為幀邊信息。主數據一般包含兩個粒度組（gr）的數據，每個粒度組又包含左右聲道（ch）兩部分的數據信息，各個聲道數據可獨立解碼，故將每個粒度單個聲道解碼的程序編寫為單個的*.c文件，以適應單聲道或者其他MP3格式的解碼。MP3編碼根據人類心理聲學，將每個粒度組分為三部分數據：第一部分對應低頻采樣的Big_values（大值區），用較大絕對值的量化值存放低頻值；第二部分為Count1區，用絕對值較小的量化值存放中頻值，所有量化值的可能取值為1，0，-1；第三部分為編碼為零的Zero高頻區，零數據無須在MP3文件中出現，只需在解碼時詢問每個粒度組的計數是否已經達到576。若計數為576，則說明該粒度組已解完576個頻率線的量化值。

　　上述幀邊信息存儲了供后續解碼的全部重要信息。為方便引用，將其定義為結構體。部分元素的定義和注釋如下：

　　struct Granule {
　　unsigned part2_3_length;　//用以計算Count1
　　　　　　　　　　　　　　 //區位置；
　　unsigned big_values;　　　 //用以計算Big_values
　　　　　　　　　　　　　　 //區位置；
　　unsigned table_select[3];　//用以確定查找哪一
　　　　　　　　　　　　　　　　 //個霍夫曼表；
　　……
　　};

　　table_select[3]的值就是霍夫曼表的下標h，可在解主數據時鎖定某個具體的霍夫曼表。

　2.2 MP3數據的霍夫曼解碼原理

　　如上小節所述，每個粒度組的數據根據聲學特性將0到奈奎斯特頻率的頻率線分為Big_values、Count1和Zero三個區。在解碼時，Big_values區對應的霍夫曼碼表格式如表2所示，而Count1區碼表格式如表3所示。

　　存放霍夫曼碼表的文件huffman.h中包含32個供Big_values區查詢用的碼表和2個供Count1區查詢用的碼表。為了方便快速查得短長度的編碼值，還增加了輔助表h_cue[34][16]。當開始解主數據時，將定長（例如32位）數據dataword（）入棧，首先移出該緩存區的前四位數據，作為查輔助表的頭數據lead，然后根據lead值和幀邊信息中的霍夫曼查找表下標h，得出輔助表的具體數據h_cue[h][lead]，這個數據只是指向Big_values區或者Count1區某個表的首地址h_tab，具體要用到該表的哪個數據仍需程序提供一個偏移量繼續判斷。此時可以先由緩存區中去掉lead四個位的數據與鎖定的霍夫曼表對比，如果這后面的數據與被鎖定的霍夫曼表頭的碼字一致，則可馬上得到解碼的數據；若是兩個碼字不一致，則還需由h_cue[h][lead]和h_cue[h][lead+1]的差值得到偏移量，從而最終得到正確的解碼數據。（格式如表2和表3所示）。

　　另外，由于MP3編碼中對絕對值小于等于15的量化值直接編碼，對絕對值大于15的量化值采用ESC（附加值）編碼，所以在得到加碼數據后還需判斷是否要為其添加附加值和符號位。詳細的解碼流程如圖2所示。

　　MP3解碼的主要運算量集中在霍夫曼解碼、反量化、IMDCT、子帶合成四個運算模塊，而霍夫曼解碼占整個運算量總和的1/5。利用CCS的Profile工具對44.1kHz采樣率、128kbps比特率的MP3數據進行運算復雜度的估算，可得本系統的解碼模塊消耗的運算量為1.3MIPS。由此可知，對于每秒解50幀以上的實時解碼，DSP要承擔65MIPS的運算復雜度，利DSP實現的本解碼模塊是完全可以勝任的。