基于多任务嵌入式应用的MP3实时解码系统设计

在ARM指令集中的乘法指令有2类：32 b×32 b→64 b长乘法指令(MULL，MLAL)和32 b×32 b→32 b短乘法指令(MUL，MLA)，前者的指令周期为3+m，而后者为2+m。由于解码过程中，尤其是子带合成滤波过程，乘法指令使用非常频繁，如果能够使用短乘法指令进行乘法运算，将会大大提高系统性能。

该系统的定点运算过程采用Q28定点表示法，若采用长乘法指令运算，得到的64位结果中有效位只有第28～59位，低28位和高4位都是无用的，需要通过移位去除。根据解码过程中运算系数的定点表示特征，可以在乘法运算前预先对操作数进行移位，以便使编译器采用短乘法指令进行运算。在子带合成滤波过程中，定点化滤波系数的低12位均为0。根据这一特征，可将滤波系数预先右移14位再进行乘法运算，这一过程仅损失2位精度。另外，在子带滤波快速算法的DCT运算结果参加乘法运算前，预先右移12位，最后将子带滤波的输出结果右移2位。经过3次右移操作后的输出结果共降低16位精度，对于16位PCM输出刚好满足精度要求。

经过以上一系列优化处理后，主要解码耗时模块的改善情况如表2所示。

3.5 实时播放方案设计

该系统采用双Buffer轮换DMA传送的方案实现实时播放，整个播放流程如图5所示。其中n为解码当前帧的帧序号，第一帧序号为0；buffer0和buffer1分别用于存放当前播放帧的PCM数据和下一帧的PCM数据。DMA传送采用LLI传送方式，可实现将2个buffer存放的PCM数据轮换向I2S FIFO传送，因此只需在解码完第1帧后启动一次DMA传送。

该方案的实现原理是在一帧MP3数据解码时间远小于1帧PCM数据播放时间(采样率为44.1 kHz时，一帧PCM播放时间为26.1 ms)这一前提条件下，播放当前帧PCM数据的同时开始解码下一帧MP3数据。因此在解码完下一帧数据后，需要等待当前帧播放完毕，再继续解码。在图5中，这一等待过程采用的是查询DMA传送结束标志的方式，这使得CPU一直处于忙状态，白白消耗了系统资源。然而在多任务嵌入式系统中，这段等待时间恰恰是非常有利用价值的。MP3实时解码可以一个任务的形式存在于多任务系统中，将图5中的查询过程改为休眠MP3解码任务，同时将DMA中断打开，在中断服务程序中唤醒解码任务，那么在解码完毕下一帧后便可释放CPU资源，将DMA中断发生前的这段等待时间用于调度其他进程，例如JPEG解码任务和GUI任务，从而实现播放音乐、播放图片和用户操作3者的高效协同工作。

4 结 语

本文给出的MP3实时解码系统在基于ARM926EJ-S核心的SoC硬件平台上，对MP3解码算法和实时播放方案进行优化设计。实验结果证明，该系统可在处理器主频仅为36 MHz的条件下流畅播放MP3音乐(码率为192 kb／s)，可嵌入数码相框、MP4等产品中实现MP3实时播放功能。