基于TMS320VC5509实现MP3解码

2万 · 2014-6-21 23:09

　TMS320VC5509（以下简称C5509）是TI公司C5000 DSP 系列中的新一代产品，该芯片最低工作电压为0.9V，其核的最低功耗仅为0.05MW/MIPS，性能最高可达800 MIPS。C5509为嵌入式DSP应用及高性能仪器仪表、智能机器人、手持设备、数字音频播放器和数码相机等应用提供了有效的解决方案。MP3是指MPEG（活动图像专家组）国际标准音频第三层编/解码，MP3编码是通过将音频信号由时域信号转换为频域信号，并根据人类心理声学特征去除部分冗余信息实现的，ISO/IEC11172-3 Part 3给出了详细的编/解码标准。解码涉及霍夫曼解码、修正余弦反变换（IMDCT）、子带合成等复杂运算模块。本文利用C5509实现对MP3的解码运算。

　　1 C5509 DSP 处理器的特点和工作原理

　　1.1 C5509 DSP的性能概述

　　C5509有32×16bit指令缓冲队列，可实现高效的块循环操作；两个17×17bit的MAC单元，可在单周期内执行两次MAC操作；1个40bit的ALU、1个40bit的桶型移位器，4个40bit的累加器可执行比C54系列DSP更高效的算术运算，在400MHz的晶振驱动下，可达到800MIPS的性能。以44.1kHz采样率的MP3数据流为例，对128kbit/s数据率的MP3数据进行解码。霍夫曼解码、IMDCT、子带合成等运算模块共需消耗1.3MIPS的CPU资源，对于平均每秒必须解码44.6帧数据来讲，总运算量为44.6×1.3＝57.98MIPS，C5509完全可以满足此速度要求。

　　C5509还具有128K×16bit的片上RAM，其中包括64KB的DARAM、192KB的SARAM和64KB的片上ROM。

　　与众多TMS320系列DSP处理器一样，C5509采用了哈佛结构，共有12组独立总线，其中包括3组数据读总线、2组数据写总线、5组数据地址总线、1组程序读总线和1组程序地址总线，这些总线并行地为各个计算单元提供指令和操作码，从而为高速的数据运算提供了有力的保障。

　　1.2 C5509 DSP的外设介绍

　　C5509提供了专用的外部存储器接口（EMIF），用于控制DSP与外部存储器之间所有数据的传输。可与EMIF无缝链接的存储器有：异步存储器（ROM、FLASH、 SRAM）、同步突发SRAM、同步DRAM（SDRAM），并可支持可选的32、16、8位数据访问。对EMIF编程时，必须根据实际的外部存储器考虑如何分配片内使能空间(CE)。通过EMIF接口，主处理器可将数据和程序置于片外，从而节省了片上硬件资源。

　　其次，C5509有3个独立的多通道缓存串口（McBSP），使得C5509能够直接与其他C55xx系列DSP、多媒体数字信号编解码器等设备高速互连，这些McBSP可以提供全速双工通信，并支持128通道的收发，接收或者发送可以选择使用独立的时钟，字宽为8、12、16、20、24位任选。

　　为保证与常见的异步通信模块进行数据通信，C5509提供了与TL16C550C等专用异步通信接口IC互连的UART，外部数据经由TL16C550C进出DSP的UART，最终交给片内CPU处理。图1为与C5509配合使用的典型专用异步通信接口IC（TL16C550C）的管脚图。

　　C5509的UART每接到数据就会产生相应的中断请求，通知CPU及时采集数据，将Rx线上的串行数据放入接收寄存器中，在满足缓冲区长度后，寄存器的并行数据再交给CPU做后续处理。

2万 · 2014-6-21 23:10

　　2 解码算法说明

　　2.1 MP3文件的格式

　　MP3文件以帧为基本单位，每帧的构成如表1所示。由于MP3文件数据格式采用了比特池技术，故主数据有可能在帧头之前，具体位置可由帧边信息所包含的main_data_begin变量获得。

　　解码时首先将一定长度（本系统为2kbit）的数据读入C5509的内部RAM中，然后寻找帧的同步字sync_word（FFF）。如果找到同步字，则以其为首的32bit即为帧头。由帧头中的校验位可知是否有校验数据，如无，则其后的256bit数据即为帧边信息。主数据一般包含两个粒度组（gr）的数据，每个粒度组又包含左右声道（ch）两部分的数据信息，各个声道数据可独立解码，故将每个粒度单个声道解码的程序编写为单个的*.c文件，以适应单声道或者其他MP3格式的解码。MP3编码根据人类心理声学，将每个粒度组分为三部分数据：第一部分对应低频采样的Big_values（大值区），用较大绝对值的量化值存放低频值；第二部分为Count1区，用绝对值较小的量化值存放中频值，所有量化值的可能取值为1，0，-1；第三部分为编码为零的Zero高频区，零数据无须在MP3文件中出现，只需在解码时询问每个粒度组的计数是否已经达到576。若计数为576，则说明该粒度组已解完576个频率线的量化值。

2万 · 2014-6-21 23:10

　上述帧边信息存储了供后续解码的全部重要信息。为方便引用，将其定义为结构体。部分元素的定义和注释如下：

　　table_select[3]的值就是霍夫曼表的下标h，可在解主数据时锁定某个具体的霍夫曼表。

2万 · 2014-6-21 23:10

　2.2 MP3数据的霍夫曼解码原理

　　如上小节所述，每个粒度组的数据根据声学特性将0到奈奎斯特频率的频率线分为Big_values、Count1和Zero三个区。在解码时，Big_values区对应的霍夫曼码表格式如表2所示，而Count1区码表格式如表3所示。

　　存放霍夫曼码表的文件huffman.h中包含32个供Big_values区查询用的码表和2个供Count1区查询用的码表。为了方便快速查得短长度的编码值，还增加了辅助表h_cue[34][16]。当开始解主数据时，将定长（例如32位）数据dataword（）入栈，首先移出该缓存区的前四位数据，作为查辅助表的头数据lead，然后根据lead值和帧边信息中的霍夫曼查找表下标h，得出辅助表的具体数据h_cue[h][lead]，这个数据只是指向Big_values区或者Count1区某个表的首地址h_tab，具体要用到该表的哪个数据仍需程序提供一个偏移量继续判断。此时可以先由缓存区中去掉lead四个位的数据与锁定的霍夫曼表对比，如果这后面的数据与被锁定的霍夫曼表头的码字一致，则可马上得到解码的数据；若是两个码字不一致，则还需由h_cue[h][lead]和h_cue[h][lead+1]的差值得到偏移量，从而最终得到正确的解码数据。（格式如表2和表3所示）。

2万 · 2014-6-21 23:11

　　另外，由于MP3编码中对绝对值小于等于15的量化值直接编码，对绝对值大于15的量化值采用ESC（附加值）编码，所以在得到加码数据后还需判断是否要为其添加附加值和符号位。详细的解码流程如图2所示。

　　MP3解码的主要运算量集中在霍夫曼解码、反量化、IMDCT、子带合成四个运算模块，而霍夫曼解码占整个运算量总和的1/5。利用CCS的Profile工具对44.1kHz采样率、128kbps比特率的MP3数据进行运算复杂度的估算，可得本系统的解码模块消耗的运算量为1.3MIPS。由此可知，对于每秒解50帧以上的实时解码，DSP要承担65MIPS的运算复杂度，利DSP实现的本解码模块是完全可以胜任的。

1万 · 2014-6-22 10:24

MP3是指MPEG（活动图像专家组）国际标准音频第三层编/解码，MP3编码是通过将音频信号由时域信号转换为频域信号，并根据人类心理声学特征去除部分冗余信息实现的，ISO/IEC11172-3 Part 3给出了详细的编/解码标准。解码涉及霍夫曼解码、修正余弦反变换（IMDCT）、子带合成等复杂运算模块。本文利用C5509实现对MP3的解码运算。