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本文以MP3解碼器為例，介紹了一種在嵌入式Linux系統下配置使用處理器片內SRAM的應用方案，有效提高了代碼的解碼效率，降低了執行功耗。該方案不論在性能還是成本上都得到了很大改善。 1 硬件平臺和軟件架構 硬件平臺采用Freescale公司的MCF5329EVB開(kāi)發(fā)板。終端硬件包括ColdFire5329處理器、32 KB的片內SRAM、1 800×600矩陣LCD顯示屏、9×3陣列矩陣鍵盤(pán)、I2S音頻解碼芯片、64 MB的SDRAM、10／100M以太網(wǎng)接口，以及3個(gè)UART接口。軟件構架如圖1所示，主要包括MP3解碼器、音頻驅動(dòng)、鍵盤(pán)驅動(dòng)和用戶(hù)圖形界面 (GUI)等模塊。采用μClinux作為操作系統。μClinux針對嵌入式應用的特點(diǎn)作了較大的簡(jiǎn)化和修改，支持多種文件系統和多任務(wù)處理，而且具有相對完整的網(wǎng)絡(luò )體系協(xié)議，因而特別適合嵌入式應用。 
2 MP3解碼算法分析 本文選用MP3解碼程序作為方案驗證代碼。MPEG-1／2 Audio Layer 3是專(zhuān)門(mén)針對音樂(lè )和語(yǔ)音數據設計的有損壓縮算法。該算法的解碼過(guò)程比較復雜，主要包括反向修正離散余弦變換(IMDCT)、逆量化、Huffman解碼、子帶綜合等功能模塊。讀入一段MP3數據后，首先要檢測數據流中的同步字，以確定一幀數據的開(kāi)始；然后提取幀頭信息，特別是解碼所需要的一些參數，同時(shí)分離出幀邊信息和主數據；之后對邊信息數據解碼得到Huffman解碼信息和逆量化信息，再經(jīng)過(guò)重新排序、立體聲處理、反混疊處理、IMDCT變換和子帶綜合濾波器組后，就可以得到PCM輸出。
MP3解碼流程如圖2所示。大致分為兩個(gè)階段，即數據流控制階段和數值計算階段。數據流控制階段包括幀同步、邊帶信息解碼和Huffman解壓縮等過(guò)程。其中，Huffman解壓縮是對編碼數據進(jìn)行操作，其他過(guò)程則是對幀控制部分進(jìn)行操作。 3 基于片內SRAM的優(yōu)化設計方案 3．1 方案分析 SRAM指令執行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329處理器內部集成了32 KB的SRAM，本設計方案將充分利用處理器片內SRAM來(lái)對解碼程序進(jìn)行優(yōu)化。首先對源代碼中的主要解碼函數進(jìn)行分析，如表1所列�？梢钥吹津寗�(dòng)寫(xiě)函數 (write)、子帶綜合(MPEGSUB_synthesis)、反向修正離散余弦變換(imdct_I)和快速離散余弦變換(fast_dct)對處理器資源消耗較大，幾乎占用80％的解碼時(shí)間。根據分析結果，分別把音頻驅動(dòng)程序和上述解碼函數放進(jìn)SRAM中執行，以提高流媒體解碼器的執行速度，降低其對處理器資源的消耗。
3．2 配置音頻驅動(dòng)程序到片內SRAM中執行 Linux操作系統把內核和運行在其上的應用程序分成兩個(gè)管理層次，也就是常說(shuō)的“內核態(tài)”和“用戶(hù)態(tài)”。內核態(tài)具有較高的應用權限，可以控制處理器內存的映射和分配方式。音頻驅動(dòng)程序是系統內核的重要組成部分，工作在內核態(tài)，實(shí)現不斷從用戶(hù)空間解碼文件中讀取音頻信息，以及驅動(dòng)音頻芯片播放聲音等相關(guān)功能。通過(guò)修改μClinux-2．6內核代碼，可以將音頻驅動(dòng)程序配置到片內SRAM中執行，主要通過(guò)修改系統鏈接文件來(lái)實(shí)現。系統鏈接文件用于將輸入文件根據一定的規則合并成一個(gè)輸出文件，并對符號與地址進(jìn)行綁定。 為了在修改內核代碼的同時(shí)不影響系統其他文件的正常運行，要在內核鏈接腳本中添加新的段區定義(．sramcode)，指定該段區鏈接加載地址為處理器片內SRAM，并在．sramcode段區內定義代碼段(．sramtext)和數據段(．sramdata)，分別用于存儲驅動(dòng)中的代碼和數據。對齊方式采用ALIGN(4)，因為對32位微處理器來(lái)說(shuō)，該對齊方式將有效減少處理器執行周期，提高執行效率。然后，使用2個(gè)指針 _lsramcode和_lsramcodeend分別指向，sramcode段區的段首和段尾，具體實(shí)現如下：
完成對操作系統鏈接文件的修改之后，使用宏定義在音頻驅動(dòng)程序中把相關(guān)函數和數據分別指定鏈接到，sramcode代碼段和數據段，并由 copy函數把相關(guān)函數復制到SRAM中執行。編譯、鏈接完成后，可以在系統內核存儲映射文件Sys-tem．map中查看驅動(dòng)函數和數據在內存中的地址。圖3顯示了音頻驅動(dòng)函數在處理器片內SRAM中的映射地址。
3．3 配置實(shí)時(shí)數據和函數到片內SRAM中執行 把用戶(hù)空間的實(shí)時(shí)數據和函數放置到片內SRAM中執行，由于處理器可以直接從片內SRAM中存取數據和指令，減少了處理器存取數據和指令的周期，提高了程序的執行效率。首先，放置實(shí)時(shí)數據到處理器片內SRAM中。通過(guò)S_malloc和S_free函數來(lái)實(shí)現：S_malloc用來(lái)申請處理器內存空間，S_free用來(lái)對這一申請的空間進(jìn)行釋放。為了靈活使用定義的S_malloc和S_free函數，需要定義一個(gè)結構體和地址指針：
然后，通過(guò)動(dòng)態(tài)內存分配方式可以把MP3解碼程序中的實(shí)時(shí)數據放入處理器內存中執行。加載函數到SRAM中與加載實(shí)時(shí)數據不同，需要通過(guò)指針和枚舉變量來(lái)實(shí)現。首先通過(guò)一個(gè)宏定義設置每個(gè)函數大小為4 KB，并使用枚舉變量為函數分配處理器片內SRAM執行的起始地址。
SRAMFUNC2=SRAM_BIG_FUNC1+BIG_FUNC_SIZE，…}； 在定義完函數運行時(shí)加載的存儲地址之后，把MP3解碼程序中的MPEGSUB_synthesis和imdct_1等函數通過(guò)字符串拷貝的方式復制到處理器片內SRAM中執行，經(jīng)過(guò)編譯、鏈接這些函數在執行時(shí)將會(huì )加載到相應的SRAM單元塊中。這樣就減少了處理器執行解碼函數所需的時(shí)間，提高了程序的執行效率。 4 性能測試與分析 為了驗證基于處理器片內SRAM的優(yōu)化設計方案，我們在MCF5329EVB開(kāi)發(fā)板上對經(jīng)該方案優(yōu)化過(guò)的MP3解碼器進(jìn)行了驗證和測試。 首先，進(jìn)行功能測試，應用MPEG組織推薦的測試碼流(128 kb／s，44．1 kHz)。選用一段音頻test．mp3，分別用標準浮點(diǎn)解碼器和本文設計的音頻解碼器進(jìn)行本地解碼測試，并對其解碼波形進(jìn)行比較分析。從圖4的波形比較可以看到，經(jīng)過(guò)本方案優(yōu)化設計的解碼器解碼波形與標準浮點(diǎn)解碼器基本無(wú)差別。經(jīng)人耳測試，無(wú)法辨別出兩者解碼輸出的差別。所以，從功能上講本文設計的基于片內SRAM的應用程序優(yōu)化方案是可行的。
其次，進(jìn)行性能測試。在測試平臺上分別對優(yōu)化前后解碼器的MIPS消耗數和空間消耗量進(jìn)行比較分析，如表2所列。
優(yōu)化前，解碼器MIPS消耗數為68 MIPS@240MHz；優(yōu)化后，解碼器MIPS消耗數為39．2 MIPS@240 MHz。在硬件條件允許的情況下，消耗的內存雖然有一定的增加，但是經(jīng)過(guò)本文方案優(yōu)化后，解碼效率得到了很大的提高。 結語(yǔ) 本文提出了在嵌入式Linux操作系統下基于處理器片內SRAM的應用程序優(yōu)化設計方案。以MP3解碼器為例，通過(guò)從配置音頻驅動(dòng)程序、實(shí)時(shí)數據和函數到處理器片內SRAM中執行來(lái)對解碼器進(jìn)行優(yōu)化設計，并在ColdFire5329開(kāi)發(fā)平臺上成功實(shí)現該方案。優(yōu)化后的MP3播放器不僅解碼效率高，而且音質(zhì)好，完全可以在中低端處理器上實(shí)現實(shí)時(shí)播放，使低性能CPU處理復雜應用程序成為可能。該方案有效地提高了應用程序的執行效率，降低了功耗，對嵌入式Linux應用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有著(zhù)重要參考價(jià)值。 參考文獻 1. MCF5329 ColdFire Integrated Microcontroller Reference Manual[DB/OL].[2009-06].http://www.freescale.com.cn. 2. MCF5329-10 Fire Engine Hardware Specification[DB/OL].[2009-06].http://www.freescale.com.cn/. 3. 韋東山.嵌入式Linux應用開(kāi)發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008. 4. Benix Samuel,Jhunwala.Real time implementation and optimization of MP3 decoder on DSP[C].Electrical and Computer Conference,Canadian,2008:699-702. 5. 葉曉舟,鄧峰.基于定點(diǎn)DSP的MP3解碼算法優(yōu)化與實(shí)現[J].計算機工程與應用,2007(23):94-96. 作者：電子科技大學(xué) 聶飛 閻波 郭志勇 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（11） |
