摘　要： 介紹了利用數(shù)字信號處理芯片TMS320VC5509實(shí)現(xiàn)MP3解碼的方案,。討論了MP3霍夫曼解碼方法,，并利用DSP的C語言在TMS320VC5509上實(shí)現(xiàn)了該算法。利用CCS的Profile功能對運(yùn)算復(fù)雜度進(jìn)行了估算,，結(jié)果顯示TMS320VC5509完全能夠達(dá)到該解碼算法的計(jì)算量要求,，并能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時解碼。
　　關(guān)鍵詞： DSP TMS320VC5509  McBSP  CCS  MP3  霍夫曼解碼

　　TMS320VC5509（以下簡稱C5509）是TI公司C5000 DSP 系列中的新一代產(chǎn)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(dá)800 MIPS,。C5509為嵌入式DSP應(yīng)用及高性能儀器儀表,、智能機(jī)器人、手持設(shè)備,、數(shù)字音頻播放器和數(shù)碼相機(jī)等應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換為頻域信號，并根據(jù)人類心理聲學(xué)特征去除部分冗余信息實(shí)現(xiàn)的,，ISO/IEC11172-3 Part 3給出了詳細(xì)的編/解碼標(biāo)準(zhǔn),。解碼涉及霍夫曼解碼、修正余弦反變換（IMDCT）,、子帶合成等復(fù)雜運(yùn)算模塊,。本文利用C5509實(shí)現(xiàn)對MP3的解碼運(yùn)算。
1 C5509 DSP 處理器的特點(diǎn)和工作原理
1.1 C5509 DSP的性能概述
　　C5509有32×16bit" title="16bit">16bit指令緩沖隊(duì)列,，可實(shí)現(xiàn)高效的塊循環(huán)操作,；兩個17×17bit的MAC單元，可在單周期內(nèi)執(zhí)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(zhí)行比C54系列DSP更高效的算術(shù)運(yùn)算,，在400MHz的晶振驅(qū)動下,，可達(dá)到800MIPS的性能。以44.1kHz采樣率的MP3數(shù)據(jù)流為例,，對128kbit/s數(shù)據(jù)率的MP3數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,。霍夫曼解碼,、IMDCT,、子帶合成等運(yùn)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(shù)據(jù)來講,，總運(yùn)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" title="片上">片上RAM,，其中包括64KB" title="64KB">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(jié)構(gòu),，共有12組獨(dú)立總線，其中包括3組數(shù)據(jù)讀總線,、2組數(shù)據(jù)寫總線,、5組數(shù)據(jù)地址總線" title="地址總線">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(jì)算單元提供指令和操作碼,，從而為高速的數(shù)據(jù)運(yùn)算提供了有力的保障。
1.2 C5509 DSP的外設(shè)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(shù)據(jù)的傳輸,?？膳cEMIF無縫鏈接的存儲器有：異步存儲器（ROM、FLASH,、 SRAM）,、同步突發(fā)SRAM、同步DRAM（SDRAM）,，并可支持可選的32,、16,、8位數(shù)據(jù)訪問,。對EMIF編程時，必須根據(jù)實(shí)際的外部存儲器考慮如何分配片內(nèi)使能空間(CE),。通過EMIF接口,，主處理器可將數(shù)據(jù)和程序置于片外，從而節(jié)省了片上硬件資源,。
　　其次,，C5509有3個獨(dú)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(shù)字信號編解碼器等設(shè)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(fā),，接收或者發(fā)送可以選擇使用獨(dú)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(jìn)行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)由TL16C550C進(jìn)出DSP的UART,，最終交給片內(nèi)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(shù)據(jù)就會產(chǎn)生相應(yīng)的中斷請求,，通知CPU及時采集數(shù)據(jù),，將Rx線上的串行數(shù)據(jù)放入接收寄存器中，在滿足緩沖區(qū)長度后,，寄存器的并行數(shù)據(jù)再交給CPU做后續(xù)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(gòu)成如表1所示。由于MP3文件數(shù)據(jù)格式采用了比特池技術(shù),，故主數(shù)據(jù)有可能在幀頭之前,，具體位置可由幀邊信息" title="邊信息">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(tǒng)為2kbit）的數(shù)據(jù)讀入C5509的內(nèi)部RAM中,，然后尋找?guī)耐阶謘ync_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(yàn)位可知是否有校驗(yàn)數(shù)據(jù),，如無，則其后的256bit數(shù)據(jù)即為幀邊信息,。主數(shù)據(jù)一般包含兩個粒度組（gr）的數(shù)據(jù),，每個粒度組又包含左右聲道（ch）兩部分的數(shù)據(jù)信息，各個聲道數(shù)據(jù)可獨(dú)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(yīng)單聲道或者其他MP3格式的解碼。MP3編碼根據(jù)人類心理聲學(xué),，將每個粒度組分為三部分?jǐn)?shù)據(jù)：第一部分對應(yīng)低頻采樣的Big_values（大值區(qū)）,，用較大絕對值的量化值存放低頻值；第二部分為Count1區(qū),，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(qū)，零數(shù)據(jù)無須在MP3文件中出現(xiàn),，只需在解碼時詢問每個粒度組的計(jì)數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到576,。若計(jì)數(shù)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(xù)解碼的全部重要信息,。為方便引用，將其定義為結(jié)構(gòu)體,。部分元素的定義和注釋如下：
　　struct Granule {
　　unsigned part2_3_length;  //用以計(jì)算Count1
　　　　　　　　　　　　　　 //區(qū)位置,；
　　unsigned big_values;       //用以計(jì)算Big_values
　　　　　　　　　　　　　　 //區(qū)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(biāo)h,，可在解主數(shù)據(jù)時鎖定某個具體的霍夫曼表。
2.2 MP3數(shù)據(jù)的霍夫曼解碼原理
　　如上小節(jié)所述,，每個粒度組的數(shù)據(jù)根據(jù)聲學(xué)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(qū),。在解碼時，Big_values區(qū)對應(yīng)的霍夫曼碼表格式如表2所示,，而Count1區(qū)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(qū)查詢用的碼表和2個供Count1區(qū)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(dāng)開始解主數(shù)據(jù)時，將定長（例如32位）數(shù)據(jù)dataword（）入棧,，首先移出該緩存區(qū)的前四位數(shù)據(jù),，作為查輔助表的頭數(shù)據(jù)lead，然后根據(jù)lead值和幀邊信息中的霍夫曼查找表下標(biāo)h,，得出輔助表的具體數(shù)據(jù)h_cue[h][lead],，這個數(shù)據(jù)只是指向Big_values區(qū)或者Count1區(qū)某個表的首地址h_tab，具體要用到該表的哪個數(shù)據(jù)仍需程序提供一個偏移量繼續(xù)判斷,。此時可以先由緩存區(qū)中去掉lead四個位的數(shù)據(jù)與鎖定的霍夫曼表對比,，如果這后面的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù),；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(shù)據(jù),。（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(shù)據(jù)后還需判斷是否要為其添加附加值和符號位,。詳細(xì)的解碼流程如圖2所示,。

　　MP3解碼的主要運(yùn)算量集中在霍夫曼解碼、反量化,、IMDCT,、子帶合成四個運(yùn)算模塊，而霍夫曼解碼占整個運(yùn)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(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算復(fù)雜度的估算，可得本系統(tǒng)的解碼模塊消耗的運(yùn)算量為1.3MIPS,。由此可知,，對于每秒解50幀以上的實(shí)時解碼，DSP要承擔(dān)65MIPS的運(yùn)算復(fù)雜度,，利DSP實(shí)現(xiàn)的本解碼模塊是完全可以勝任的,。
參考文獻(xiàn)
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