基于IPP的嵌入式音頻解碼器設計與優(yōu)化

時間：2009-08-20　來源：微計算機信息　作者：陳一凡　點擊：次

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1前言
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，形式多樣的數(shù)字化產(chǎn)品已經(jīng)開始成為繼PC機后的信息處理工具，在這種數(shù)字化潮流下，嵌入式系統(tǒng)已成為當前研究和應用的熱點之一。嵌入式手持設備的視音頻多媒體應用也越來越廣泛.由于嵌入式系統(tǒng)的應用要求及成本因素決定了嵌入式系統(tǒng)在系統(tǒng)資源, 包括硬件資源和軟件資源方面都是非常精簡和高效的。因此通過IPP底層API函數(shù)實現(xiàn)針對特定處理器的特定關(guān)鍵算法進行程序結(jié)構(gòu)重組和優(yōu)化，為嵌入式系統(tǒng)低功耗高代碼執(zhí)行效率提供一種很好的解決方案。

2 Intel IPP簡介
Intel集成高性能原件（Intel IPP）是一個交叉架構(gòu)的跨平臺軟件庫，提供了大量庫功能，用于多媒體，音頻編碼，視頻編碼,計算機視覺密碼系統(tǒng)以及此類處理的數(shù)學過程。通過一個跨多種架構(gòu)上的單一API，可以獲得平臺兼容性，減少開發(fā)成本。提升信號，影像，多媒體處理和矢量計算的執(zhí)行效率。

利用IPP優(yōu)化的步驟首先是程序結(jié)構(gòu)的重新設計。由于IPP 提供的接口為固定接口，在原程序基礎上以IPP函數(shù)代替，這意味著需要額外添加變量和步驟，如果程序結(jié)構(gòu)設計不當將在相當程度上抵消使用IPP而帶來的增益。為了避免這種情況，對于原來的程序結(jié)構(gòu)往往不能限于局部的調(diào)整，而要圍繞利用IPP提供的接口為核心，進行較大規(guī)模的調(diào)整和安排。

3基于Linux的系統(tǒng)框架和集成開發(fā)環(huán)境的搭建
3.1開發(fā)平臺的搭建
由于嵌入式系統(tǒng)本身不具有軟件開發(fā)能力，采用PC+目標機的開發(fā)方式，在運行l(wèi)inux2.4.20內(nèi)核的PC機上為PXA 255板提供開發(fā)和交叉編譯環(huán)境。利用PXA 255板的FF串口作調(diào)試口與PC的串口相連，可方便地進行調(diào)試工作，利用PXA255板的以太網(wǎng)接口和PC相連，建立點對點的連結(jié)，在PC上建立FTP服務器，將應用程序及內(nèi)核等文件通過以太網(wǎng)接口傳到PXA255板上。

3.2交叉編譯環(huán)境的建立
要在PC上開發(fā)出能運行在PXA255板上的程序，必須在PC上為其建立一個針對ARM芯片的交叉編譯環(huán)境，為此，將用到交叉編譯工具鏈，包括：交叉編譯工具arm-linux-gcc、二進制文件處理工具arm-linux-binutils及鏈接和運行庫arm-linux-blibc。

建立起交叉編譯環(huán)境后，就可以用此交叉編譯器為PXA255板編譯其內(nèi)核和應用程序了。整個開發(fā)環(huán)境的結(jié)構(gòu)框圖如下：

圖(1) 開發(fā)環(huán)境的結(jié)構(gòu)框圖

3.3基于QT/Embedded庫的GUI開發(fā)環(huán)境的建立
為使在通用PC上編譯連接的程序能在目標平臺PXA255板上運行，必須在開發(fā)端PC上安裝正確的庫文件。QT/E安裝包只提供所有QT類和一些輔助工具的源文件，針對目標平臺PXA255板，還需要為QT/E庫增加觸摸屏的庫文件，以使基于QT/E的應用程序能正確的接收到觸摸屏事件。交叉編譯工具使用專門針對Xscale系列arm-linux-gcc來編譯。

為了提高程序開發(fā)的效率，可以為QT/E安裝一個生成Makefile的工具Tmake。用它來生成Makefile文件可以節(jié)省很多時間。在Makefile文件中增加QT/E庫的路徑及用于包含觸摸屏庫的參數(shù)（－lts）之后再make。這樣QT/E程序就被正確的編譯連接成為在PXA 255板上可執(zhí)行的文件了。

4 MP3音頻播放器圖形界面GUI設計與實現(xiàn)
本設計用QTE/QTopia作為應用程序圖形界面GUI的類庫和桌面開發(fā)環(huán)境。Qt/Embedded是Trolltech公司開發(fā)的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。采用framebuffer作為底層圖形接口。Qt/Embedded類庫完全采用C++封裝。豐富的控件資源和較好的可移植性是Qt/Embedded最為優(yōu)秀的一方面，使用X下的開發(fā)工具Qt Designer可以直接開發(fā)基于Qt/Embedded的UI（用戶操作接口）界面。

鑒于篇幅，本文只給出圖形界面的類定義和函數(shù)接口說明，其中封裝和移植IPP低層API操作的成員函數(shù)將在文章第5部分作出相應的解釋和描述，播放器類在Qt中定義如下：

　　class MediaPlayer:public QWidget

　　{

　　public:/*構(gòu)造函數(shù)初始化播放器各參數(shù)*/

　　MediaPlayer(QWidget *parent=0,const char *name=0);

　　public slots: /*Qt中的消息響應槽函數(shù), 定義播放器的各種操作成員函數(shù)*/

　　void fi leopen();

　 private:

　　 /*播放狀態(tài)控制、播放器界面控制和GUI插件*/

　　int stplayer; /* 0:stop 1:play 2:pause*/

　　QMenuBar *menu;

　　 …

　　}

5 MP3音頻解碼流程與關(guān)鍵算法移植
5.1 IPP中提供的高效音頻處理API介紹
本設計采用了IPP的MP3播放解碼過程中的解碼相關(guān)的高效算法，這樣使得MP3播放的任務轉(zhuǎn)向流程控制，而不必編寫具體的解碼代碼。MP3解碼函數(shù)和功能如下：

（1）ippsUnpackFrameHeader_MP3/*解包MP3幀頭，輸出IppMP3FrameHeader結(jié)構(gòu)體*/

（2）ippsUnpackSideInfo_MP3/*解包MP3枝節(jié)信息，輸出IppMP3SideInfo結(jié)構(gòu)體*/

（3）ippsUnpackScaleFactors_MP3_1u8s/*解包比列因子，輸出比列因子的指針等*/

（4）ippsHuffmanDecode_MP3_1u32s/*哈夫曼解碼，輸出解碼后的數(shù)據(jù)*/

（5）ippsReQuantize_MP3_32s_I/*量化哈夫曼解碼后的碼字，輸出量化后的采樣值的指針*/

（6）ippsMDCTInv_MP3_32s，ippsSynthPQMF_MP3_32s16s/*第一、二階段合成濾波*/

5.2 MP3音頻解碼流程
為了MP3文件能夠連續(xù)的播放，需要為原始二進制在內(nèi)存中建立一個FIFO緩沖區(qū)，以保證每個時刻都有足夠的數(shù)據(jù)，這個緩沖區(qū)要有足夠的大小，當緩沖區(qū)數(shù)據(jù)小于某個值時，就要及時寫入新的數(shù)據(jù)，在程序的主循環(huán)中需要有段判FIFO數(shù)據(jù)情況和填入數(shù)據(jù)的程序。主數(shù)據(jù)也需要一個緩沖區(qū)，用來存放解碼時用到的數(shù)據(jù)，播放MP3文件的大致流程如下：