淺談IPP嵌入式音頻解碼器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

關(guān)鍵詞： IPP , 嵌入式 , 音頻解碼器

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(jī)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(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。嵌入式手持設(shè)備的視音頻多媒體應(yīng)用也越來越廣泛.由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)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(shí)現(xiàn)針對特定處理器的特定關(guān)鍵算法進(jìn)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(gè)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(jì)算機(jī)視覺密碼系統(tǒng)以及此類處理的數(shù)學(xué)過程。通過一個(gè)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(jì)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(shè)計(jì)。由于IPP 提供的接口為固定接口，在原程序基礎(chǔ)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(shè)計(jì)不當(dāng)將在相當(dāng)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(jìn)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(biāo)機(jī)的開發(fā)方式，在運(yùn)行l(wèi)inux2.4.20內(nèi)核的PC機(jī)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(jìn)行調(diào)試工作，利用PXA255板的以太網(wǎng)接口和PC相連，建立點(diǎn)對點(diǎn)的連結(jié)，在PC上建立FTP服務(wù)器，將應(yīng)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(yùn)行在PXA255板上的程序，必須在PC上為其建立一個(gè)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(jìn)制文件處理工具arm-linux-binutils及鏈接和運(yùn)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(yīng)用程序了。整個(gè)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(biāo)平臺PXA255板上運(yùn)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(biāo)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(yīng)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(gè)生成Makefile的工具Tmake。用它來生成Makefile文件可以節(jié)省很多時(shí)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)  

本設(shè)計(jì)用QTE/QTopia作為應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)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(wù)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(jìn)制在內(nèi)存中建立一個(gè)FIFO緩沖區(qū)，以保證每個(gè)時(shí)刻都有足夠的數(shù)據(jù)，這個(gè)緩沖區(qū)要有足夠的大小，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)小于某個(gè)值時(shí)，就要及時(shí)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(gè)緩沖區(qū)，用來存放解碼時(shí)用到的數(shù)據(jù)，播放MP3文件的大致流程如下：  

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(jìn)制在內(nèi)存中建立一個(gè)FIFO緩沖區(qū)，以保證每個(gè)時(shí)刻都有足夠的數(shù)據(jù)，這個(gè)緩沖區(qū)要有足夠的大小，當(dāng)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)小于某個(gè)值時(shí)，就要及時(shí)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(gè)緩沖區(qū)，用來存放解碼時(shí)用到的數(shù)據(jù)，播放MP3文件的大致流程如下：   

  
  
圖(3) MP3音頻解碼播放器程序流程圖  

除解碼和播放MP3程序外，還需用戶控制部分的程序。MP3播放要求實(shí)時(shí)性很高，所以不能跟用戶控制程序放在一起，需要為它創(chuàng)建一個(gè)線程。通過Linux下的Pthread線程，它可以共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)，這使得線程間通信變得方便。MP3播放的代碼就可以放到一個(gè)線程里面去，通過共享內(nèi)存數(shù)據(jù)由主線程來處理用戶操作、啟動、暫停和結(jié)束播放線程序。引入了多線程操作后，使播放器用戶界面的各操作（如按紐按下、鼠標(biāo)點(diǎn)擊等）不必等待MP3解碼完成而不能得到及時(shí)響應(yīng)。  

5.3 MP3音頻解碼關(guān)鍵算法對IPP關(guān)鍵算法的API移植封裝接口  

鑒于篇幅關(guān)系，不對每一個(gè)API移植和具體操作都進(jìn)行詳細(xì)闡述，如上所述，IPP最底層的音頻解碼函數(shù)有ippsUnpackFrameHeader_MP3…ippsSynthPQMF_MP3_32s16s等，我們先對上述函數(shù)進(jìn)行第一層移植，形成一批引用更為方便、操作更為簡單的API，把這一層的移植操作全都完成在一個(gè)MyAudioApi.cpp文件里面，添加到用Qt做圖形界面GUI的項(xiàng)目中一起編譯。  

這使得最上層的QT圖形界面應(yīng)用程序的各個(gè)成員函數(shù)可以非常方便地調(diào)用利用IPP生成的音頻播放各種操作的函數(shù)接口。這樣仍然可以利用IPP的高效算法進(jìn)行解碼優(yōu)化而且屏蔽了底層IPP API的復(fù)雜性。還為以后的二次開發(fā)提供便利。自己定義的音頻解碼各個(gè)函數(shù)原型如下：  

void mp3open(char filename);/*打開MP3文件并創(chuàng)建解碼線程*/  
void mp3play(void); /*設(shè)置ispause共享變量為假，重新進(jìn)入播放線程循環(huán)體*/  
void mp3pause(void);/*設(shè)置ispause共享變量為真*/  
void mp3stop(void); /*設(shè)置done共享變量為真，等待播放線程結(jié)束*  

需要說明的是上述函數(shù)完成播放器用戶界面中啟動音頻播放、控制暫停和結(jié)束播放功能，通過多線程之間共享內(nèi)存數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行線程間的通信，從而在主線程中控制播放線程的暫停和停止。  

void *MP3Start(void *arg) /*針對MP3播放線程主函數(shù)進(jìn)行解釋和流程分析*/  
{ InitMP3Decoder(&D ecoderState,&bs);/*初始化解碼器*/   
while(!done)/*停止鍵或者解碼未完成之前循環(huán)播放解碼*/  
{ if(!ispause)/*通過判斷線程之間的共享變量ispause判斷時(shí)候有暫停鍵按下*/  
switch( DecodeMP3Frame(&bs,pcm,&DecoderState) )  
{/*根據(jù)解碼函數(shù)返回的狀態(tài)選擇下一步操作*/   
case MP3_FRAME_COMPLETE:  
/*緩沖區(qū)中已有足夠數(shù)據(jù)來解碼一幀流數(shù)據(jù)*/  
…}}  
/*關(guān)閉 I/O 音頻設(shè)備，此MP3文件播放結(jié)束*/  
}  

6 結(jié)束語  

IPP能夠?qū)崿F(xiàn)底層的交差平臺 的軟件開發(fā)，提供高集成的數(shù)據(jù)通訊，單信號處理以及多媒體功能等，Intel IPP并且能夠幫助優(yōu)化電力消耗，達(dá)到最佳的CPU執(zhí)行效率。其嵌入式的移植應(yīng)用更是為實(shí)現(xiàn)手持設(shè)備上的低功耗,高代碼執(zhí)行效率提供了一種可行的軟件優(yōu)化方案。