Linux下ColdFire 片内SRAM的应用程序优化设计

本文以MP3解码器为例，介绍了一种在嵌入式Linux系统下配置使用处理器片内SRAM的应用方案，有效提高了代码的解码效率，降低了执行功耗。该方案不论在性能还是成本上都得到了很大改善。

1 硬件平台和软件架构

硬件平台采用Freescale公司的MCF5329EVB开发板。终端硬件包括ColdFire5329处理器、32 KB的片内SRAM、1 800×600矩阵LCD显示屏、9×3阵列矩阵键盘、I2S音频解码芯片、64 MB的SDRAM、10／100M以太网接口，以及3个UART接口。软件构架如图1所示，主要包括MP3解码器、音频驱动、键盘驱动和用户图形界面 (GUI)等模块。采用μClinux作为操作系统。μClinux针对嵌入式应用的特点作了较大的简化和修改，支持多种文件系统和多任务处理，而且具有相对完整的网络体系协议，因而特别适合嵌入式应用。



2 MP3解码算法分析

本文选用MP3解码程序作为方案验证代码。MPEG-1／2 Audio Layer 3是专门针对音乐和语音数据设计的有损压缩算法。该算法的解码过程比较复杂，主要包括反向修正离散余弦变换(IMDCT)、逆量化、Huffman解码、子带综合等功能模块。读入一段MP3数据后，首先要检测数据流中的同步字，以确定一帧数据的开始；然后提取帧头信息，特别是解码所需要的一些参数，同时分离出帧边信息和主数据；之后对边信息数据解码得到Huffman解码信息和逆量化信息，再经过重新排序、立体声处理、反混叠处理、IMDCT变换和子带综合滤波器组后，就可以得到PCM输出。



MP3解码流程如图2所示。大致分为两个阶段，即数据流控制阶段和数值计算阶段。数据流控制阶段包括帧同步、边带信息解码和Huffman解压缩等过程。其中，Huffman解压缩是对编码数据进行操作，其他过程则是对帧控制部分进行操作。

3 基于片内SRAM的优化设计方案

3．1 方案分析

SRAM指令执行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329处理器内部集成了32 KB的SRAM，本设计方案将充分利用处理器片内SRAM来对解码程序进行优化。首先对源代码中的主要解码函数进行分析，如表1所列。可以看到驱动写函数 (write)、子带综合(MPEGSUB_synthesis)、反向修正离散余弦变换(imdct_I)和快速离散余弦变换(fast_dct)对处理器资源消耗较大，几乎占用80％的解码时间。根据分析结果，分别把音频驱动程序和上述解码函数放进SRAM中执行，以提高流媒体解码器的执行速度，降低其对处理器资源的消耗。



3．2 配置音频驱动程序到片内SRAM中执行

Linux操作系统把内核和运行在其上的应用程序分成两个管理层次，也就是常说的“内核态”和“用户态”。内核态具有较高的应用权限，可以控制处理器内存的映射和分配方式。音频驱动程序是系统内核的重要组成部分，工作在内核态，实现不断从用户空间解码文件中读取音频信息，以及驱动音频芯片播放声音等相关功能。通过修改μClinux-2．6内核代码，可以将音频驱动程序配置到片内SRAM中执行，主要通过修改系统链接文件来实现。系统链接文件用于将输入文件根据一定的规则合并成一个输出文件，并对符号与地址进行绑定。

为了在修改内核代码的同时不影响系统其他文件的正常运行，要在内核链接脚本中添加新的段区定义(．sramcode)，指定该段区链接加载地址为处理器片内SRAM，并在．sramcode段区内定义代码段(．sramtext)和数据段(．sramdata)，分别用于存储驱动中的代码和数据。对齐方式采用ALIGN(4)，因为对32位微处理器来说，该对齐方式将有效减少处理器执行周期，提高执行效率。然后，使用2个指针 _lsramcode和_lsramcodeend分别指向，sramcode段区的段首和段尾，具体实现如下：




完成对操作系统链接文件的修改之后，使用宏定义在音频驱动程序中把相关函数和数据分别指定链接到，sramcode代码段和数据段，并由 copy函数把相关函数复制到SRAM中执行。编译、链接完成后，可以在系统内核存储映射文件Sys-tem．map中查看驱动函数和数据在内存中的地址。图3显示了音频驱动函数在处理器片内SRAM中的映射地址。



3．3 配置实时数据和函数到片内SRAM中执行

把用户空间的实时数据和函数放置到片内SRAM中执行，由于处理器可以直接从片内SRAM中存取数据和指令，减少了处理器存取数据和指令的周期，提高了程序的执行效率。首先，放置实时数据到处理器片内SRAM中。通过S_malloc和S_free函数来实现：S_malloc用来申请处理器内存空间，S_free用来对这一申请的空间进行释放。为了灵活使用定义的S_malloc和S_free函数，需要定义一个结构体和地址指针：



然后，通过动态内存分配方式可以把MP3解码程序中的实时数据放入处理器内存中执行。加载函数到SRAM中与加载实时数据不同，需要通过指针和枚举变量来实现。首先通过一个宏定义设置每个函数大小为4 KB，并使用枚举变量为函数分配处理器片内SRAM执行的起始地址。



SRAMFUNC2=SRAM_BIG_FUNC1+BIG_FUNC_SIZE，…}；

在定义完函数运行时加载的存储地址之后，把MP3解码程序中的MPEGSUB_synthesis和imdct_1等函数通过字符串拷贝的方式复制到处理器片内SRAM中执行，经过编译、链接这些函数在执行时将会加载到相应的SRAM单元块中。这样就减少了处理器执行解码函数所需的时间，提高了程序的执行效率。