摘要：FD216是智原科技公司出品的一款結(jié)構(gòu)與ADI公司的ADSP-2181相類似且指令集相兼容的高性價(jià)比16位定點(diǎn)DSP芯片。利用智能科技公司提供的開發(fā)工具包，可以方便地將C算法移植到FD216中。詳細(xì)介紹了在FD216評(píng)估板上用嵌入式C語言和匯編語言混合編程的方法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于定點(diǎn)DSP的MP3實(shí)時(shí)解碼器的整個(gè)流程。
關(guān)鍵詞：DSP MP3解碼器 嵌入式C語言 匯編語言

1 FD216 16位定點(diǎn)DSP特點(diǎn)簡(jiǎn)介

DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，主要用于實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。FD216是一個(gè)高效能而且易于使用的16位定點(diǎn)DSP，包含DSP內(nèi)核、芯片內(nèi)建數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序內(nèi)存、兩個(gè)串行接口、一個(gè)定時(shí)器、12組可編程I/O、內(nèi)部直接內(nèi)存存?。↖DMA）接口、外部?jī)?nèi)存接口和串行式在線仿真器（SICE）接口等，兼容ADSP-218X系列匯編代碼，最高運(yùn)行速度可達(dá)到190MIPS。FD216的CM（Code Memory）、PM（Program Memory）和DM（Data Memory）是嚴(yán)格區(qū)分的，在程序設(shè)計(jì)時(shí)要將放在PM區(qū)和DM區(qū)的數(shù)據(jù)分別說明。在移植ADSP2181匯編代碼時(shí)，也要做相應(yīng)修改。

2 MP3及其解碼原理

MPEG-1 Audio Layer 3(MP3)是一個(gè)在低比特率下提供高保真音頻的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。特別是在解碼部分，它已經(jīng)成功地應(yīng)用于多種消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。

MP3解碼原理：首選將MP3數(shù)據(jù)幀解包，解出幀頭信息和邊帶信息；然后采用霍夫曼解碼解出比特分配信息；接著在逆變換中利用頻譜系數(shù)，在綜合濾波器中將32位子帶合并成一個(gè)寬帶信號(hào)。18個(gè)頻譜值執(zhí)行32位IMDCT（逆改進(jìn)型離散余弦變換），將生成的576個(gè)頻譜值變換成長(zhǎng)度為32的18個(gè)連續(xù)的頻譜。通過18次運(yùn)算，多相位綜合濾波器將這些頻譜轉(zhuǎn)換到時(shí)域，完成波形重構(gòu)，生成立體聲PCM音頻數(shù)據(jù)。MP3解碼流程圖如圖1所示。

3 開發(fā)環(huán)境

目標(biāo)系統(tǒng)為智原科技公司提供的FD216 DSP評(píng)估板，系統(tǒng)環(huán)境為WIN2K，軟件環(huán)境為FD2XX工具包（DSP C compiler,assembler,linker,debugger）。

圖2為FD216開發(fā)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

4 MP3解碼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求包括以下內(nèi)容：

（1） 功能要求：以智原科技公司提供的FD216 DSP評(píng)估板作為目標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行MP3解碼器設(shè)計(jì)，標(biāo)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)解碼采樣頻率為32kHz/44.1kHz/48kHz、數(shù)據(jù)碼率從32到320kbps的MP3比特流。

（2） 解碼精度要求：定點(diǎn)MP3解碼精度應(yīng)符合ISO/IEC 11172-4所規(guī)定的限制精度。

4． 2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：

（1） 在FD216評(píng)估板上進(jìn)行正確的硬件配置。

（2） 串口0配置。FD216評(píng)估板所采用的Audio Codec是Philips公司的UDA1345TS，它與FD216的串口0相連，輸出16位或8位PCM線性數(shù)據(jù)。

（3） 串行ICE（SICE）仿真調(diào)試接口。

圖2

    4． 3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：

（1） C運(yùn)行時(shí)間庫。C語言運(yùn)行時(shí)間庫（C Run Time Library）是整個(gè)C開發(fā)工具的核心之一，提供了大量的可以直接調(diào)用的庫函數(shù)。

（2） 設(shè)置內(nèi)存映射寄存器訪問方式。

5 MP3解碼器程序設(shè)計(jì)

MP3解碼器程序設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：

（1） 定點(diǎn)算法設(shè)計(jì)。盡管定點(diǎn)DSP也支持浮點(diǎn)運(yùn)算，但浮點(diǎn)運(yùn)算會(huì)消耗大量的指令周期和內(nèi)存，也會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行速度，不能應(yīng)用于MP3實(shí)時(shí)解碼。在程序設(shè)計(jì)中，首先要將MP3浮點(diǎn)C解碼算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)C解碼算法。浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，本文不再多述。

（2） 在程序的頭部建立正確的運(yùn)行頭（RunTImeHeader）文件。

（3） 內(nèi)存分頁/重疊。與ADSP-218X類似，F(xiàn)D216也是通過設(shè)置重疊存儲(chǔ)器選擇寄存器（PMOVLAY/DMOVLAY）來實(shí)現(xiàn)PM（CM）/DM存儲(chǔ)器分頁/重疊的。

圖3

    FD216的內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

FD216系統(tǒng)說明文件FD216.SYS說明了FD216 DSP的內(nèi)存分配方式，是支持DSP程序正確運(yùn)行的系統(tǒng)文件。

數(shù)據(jù)、代碼分布/重疊應(yīng)首先在HOST（PC）上對(duì)數(shù)據(jù)、代碼分別進(jìn)行內(nèi)存分頁，接著使用FD2XX開發(fā)工具包進(jìn)行編譯、匯編、鏈接，生成目標(biāo)代碼，然后下載到目標(biāo)板上運(yùn)行。

（4）中斷服務(wù)子程序。FD216中斷控制器允許處理器響應(yīng)十二個(gè)中斷之一。在MP3解碼應(yīng)用中使用了如下三個(gè)中斷服務(wù)子程序：

①eset中斷服務(wù)子程序：程序運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入reset中斷服務(wù)子程序，即從start程序開始運(yùn)行，其優(yōu)先級(jí)量高。

Jump start; rti;rti;rti; /*Reset */

②ir2_get_data外部中斷服務(wù)子程序：通過IDMA接口經(jīng)過PCI總線從HOST（PC）硬盤讀取數(shù)據(jù)的控制程序。

③intsp0中斷服務(wù)子程序：向串口0發(fā)送數(shù)據(jù)的子程序。為了實(shí)現(xiàn)MP3文件在系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)播放，設(shè)計(jì)了雙Buffer通過串口0向Audio Codec傳送解碼后的聲音樣本數(shù)據(jù)。Intsp0中斷服務(wù)子程序流程圖如圖4所示。

（5）代碼移植：將MP3解碼算法C程序序植為可在FD216 DSP系統(tǒng)中運(yùn)行的嵌入式C程序。在此需要注意以下幾點(diǎn)：

①由于DSP系統(tǒng)中沒有文件I/O函數(shù)，應(yīng)將C程序中的文件I/O函數(shù)方式改成嵌入式系統(tǒng)中的內(nèi)存直接讀、寫方式。

②應(yīng)注意數(shù)據(jù)類型的處理：將C程序中的int類型改成short或long類型，將unsigned int類型改成unsigned short或unsigned long類型，并且為了提高程序運(yùn)行效率，應(yīng)注意盡量少用（unsigned）long型，算法驗(yàn)證無誤后再移植到DSP中。

③在保證程序正確性、穩(wěn)定性的前提下，應(yīng)通過修改C算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，盡量縮減C程序中表數(shù)據(jù)的尺寸，使表在DSP內(nèi)存中占據(jù)的空間盡量小。

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6 MP3解碼器實(shí)驗(yàn)結(jié)論

6．1 算法復(fù)雜度（COmplexity）評(píng)測(cè)

通過仿真調(diào)試工具debugger對(duì)MP3解碼器在一定條件下進(jìn)行性能評(píng)估（Profile），并計(jì)算出系統(tǒng)所需要的MIPS（Million Instruction Per Second）。

MP3解碼算法復(fù)雜度為60.01MIPS，只占了系統(tǒng)最大運(yùn)行能力（190MIPS）的31.58%。

6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：系統(tǒng)功能、解碼速度、精度均符合設(shè)計(jì)要求，并且實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)解碼、回放。

本文簡(jiǎn)要介紹了MP3解碼原理，并詳細(xì)說明了MP3在FD216定點(diǎn)DSP上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)解碼的設(shè)計(jì)、開發(fā)流程。在此基礎(chǔ)上亦可開發(fā)、實(shí)現(xiàn)其它格式的壓縮編碼數(shù)字音頻解碼器，如Dolby AC-3[5]、MPEG-1 Advanced Audio Coding(AAC)、Microsoft (r ) Windows Media(tm) tudio（WMA）等。利用DSP可編程特性?？梢蚤_發(fā)出多格式音頻解碼器，而不需要增加其它硬件。