基于ARM946E处理器的MP3解码优化设计

0 引 言

MP3(MPEG I Audio Layer 3)格式是基于电影专家组系统(Motion Picture Expert Group，MPEG)压缩标准的一种声音文件格式，其压缩比根据采样频率、压缩位率和声音模式的不同而有所变化。MP3具有很高的压缩率，可以达到1：12。一分钟左右的CD音乐经过MP3格式压缩编码后，可以压缩到1兆左右的容量，其音色和音质还可以保持基本完整而不失真。随着数字音乐的不断普及，现在MP3音乐已经不仅局限于MPEG视频应用中，而是以一种独立的数字音乐压缩技术出现在计算机、网络和各种电子设备上。目前市场流行的MP3播放器是基于DSP和专用芯片的解决方案，通过硬件或专用算法实现解码，具有良好的实时性。而消费类电子产品正朝着多功能、低成本的方向发展。随着ARM9功能的不断增强，利用系统本身处理器实现MP3软解码成为可能。另外，软件实现更便于产品功能的升级和维护，可以预见，嵌入式MP3软解码器的应用将越来越广泛。这里在分析MPEG I Audio Lay-er3解码算法的基础上，提出基于ARM946E处理器实现解码算法的软件优化方法。

1 MPEG Audio Layer3的解码流程
MP3解码算法流程如图1所示。

主要过程包括：数据流解码、Huffman解压缩、反量化与重排序、立体声解码、IMDCT和子带合成运算等。其中Huffman解码与反量化、IMDCT和子带合成等3个过程在MP3解码过程中占用了最多的CPU和内存资源，是嵌入式系统实现软件解码的关键。

2 ARM946E处理器
ARM946E处理器属于ARM9内核带有E扩展的一个可综合版本，执行v5TE架构指令。采用5级流水线，存储器系统根据哈佛体系结构重新设计，独立的数据和指令总线。带有一套存储器子系统，以提高系统性能和支持大型操作系统。
如图2所示，存储器子系统包含1个存储器保护单元(MPU)、高速缓存(Cache)和写缓冲(Write Buffer)；CPU通过该子系统与系统存储器相连。

相对于ARM7，ARM9E性能上的提高主要表现在工作频率、改进的硬件特性及优化的指令执行效率。另外，ARM9E集成了轻量级的DSP处理能力，以很小的成本(CPU增加功能需要增加硬件)换来非常实用的DSP性能。充分利用好芯片资源是实现MP3解码优化的关键。

3 算法优化
针对MP3中涉及较大运算的Huffman解码与反量化、IMDCT和子带合成，分别提出算法优化处理。3．1 定长查找冗余表Huffman解码算法Huffman解码器可以通过从头至尾逐一检测各符号，以查表比较的方式进行解码。即从一维的bit流中分辨出各个长度不同的Huffman码字，然后进行复杂的匹配。
由于LayeIⅢ中的Huffman码表组长度不一，会增加码字的搜索时间。定长查找冗余表法扩充Huff_man查找表，每次选取定长N bit码流作为查找索引。查找表中包括跳转指针和编码值。若节点索引值为跳转指针时，将通过扩充Huff-man查找表得知此Huffman编码的后续bit数，并跳转到另外一个节点；然后再根据后续bit数从码流中取值；接着从上次跳转节点开始查找，如此重复直到找出对应huffman编码的内容。查找表利用Union数据结构实现，可减小Huffman表占用的空间。假设一Huff-man编码长度为l，采用传统算法需要1次移位操作和1次比较，使用定长查找法只需[z／N]次查找和[l／N]次比较操作。
表1，表2是Huffman解码的举例说明：