TI公司C5000 DSP是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。系列中的新一代產(chǎn)品是TMS320VC5509，該芯片核的功耗僅為0.05MW/MIPS，其工作電壓為0.9V，性能可以達(dá)到800 MIPS。C5509為嵌入式DSP應(yīng)用及智能機(jī)器人、高性能儀器儀表、數(shù)字音頻播放器、數(shù)碼相機(jī)和手持設(shè)備等應(yīng)用提供了有效的解決方案。MP3是指MPEG國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)音頻第三層編/解碼，MP3編碼是通過將音頻信號(hào)由時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，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、子帶合成、修正余弦反變換等復(fù)雜運(yùn)算模塊。本文通過C5509實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3的解碼運(yùn)算。

　　1 C5509 DSP 處理器的工作原理和特點(diǎn)

　　1.1 C5509 DSP的性能概述

　　C5509有32×16bit指令緩沖隊(duì)列，可完成高效的塊循環(huán)操作；兩個(gè)17×17bit的MAC單元，可在單周期內(nèi)執(zhí)行兩次MAC操作；1個(gè)40bit的ALU（是中央處理器的執(zhí)行單元，是所有中央處理器的組成部分，由"And Gate" 和"Or Gate"構(gòu)成的算術(shù)邏輯單元，主要功能是進(jìn)行二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算，如加減乘。1個(gè)40bit的桶型移位器，4個(gè)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(dòng)下，可達(dá)到800MIPS的性能。以44.1kHz采樣率的MP3數(shù)據(jù)流為例，通過對(duì)128kbit/s數(shù)據(jù)率的MP3數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼?；舴蚵獯a、子帶合成、IMDCT等運(yùn)算模塊共需消耗1.3MIPS的CPU資源，對(duì)于平均每秒必須解碼44.6幀數(shù)據(jù)來(lái)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RAM，其中包括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2組數(shù)據(jù)寫總線、3組數(shù)據(jù)讀總線、1組程序讀總線、1組程序地址總線和5組數(shù)據(jù)地址總線，通過這些總線并行地為各個(gè)計(jì)算單元提供操作碼和指令，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(chǔ)器接口，用于控制DSP與外部存儲(chǔ)器之間所有數(shù)據(jù)的傳輸。可與EMIF無(wú)縫鏈接的存儲(chǔ)器有：異步存儲(chǔ)器、同步突發(fā)SRAM、同步DRAM，并可支持可選的32、16、8位數(shù)據(jù)訪問。對(duì)EMIF編程時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際的外部存儲(chǔ)器考慮如何分配片內(nèi)使能空間。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(gè)獨(dú)立的多通道緩存串口，使得C5509能夠直接與其他C55xx系列DSP、多媒體數(shù)字信號(hào)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(shí)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，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的管腳圖。

　　C5509的UART每接到數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷請(qǐng)求，通知CPU及時(shí)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(zhǎng)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(shuō)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所包含的main_data_begin變量獲得。

　　解碼時(shí)首先將一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)讀入C5509的內(nèi)部RAM中，然后尋找?guī)耐阶謘ync_word。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(wú)，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(gè)粒度組的數(shù)據(jù)，每個(gè)粒度組又包含左右聲道兩部分的數(shù)據(jù)信息，各個(gè)聲道數(shù)據(jù)可獨(dú)立解碼，故將每個(gè)粒度單個(gè)聲道解碼的程序編寫為單個(gè)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(gè)粒度組分為三部分?jǐn)?shù)據(jù)：部分對(duì)應(yīng)低頻采樣的Big_values，用較大的量化值存放低頻值；第二部分為Count1區(qū)，用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(wú)須在MP3文件中出現(xiàn)，只需在解碼時(shí)詢問每個(gè)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(shuō)明該粒度組已解完576個(gè)頻率線的量化值。

　　上述幀邊信息存儲(chǔ)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：

　　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(shí)鎖定某個(gè)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(gè)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(gè)區(qū)。在解碼時(shí)，Big_values區(qū)對(duì)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(gè)供Big_values區(qū)查詢用的碼表和2個(gè)供Count1區(qū)查詢用的碼表。為了方便快速查得短長(zhǎng)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(shí)，將定長(zhǎng)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(gè)數(shù)據(jù)只是指向Big_values區(qū)或者Count1區(qū)某個(gè)表的首地址h_tab，具體要用到該表的哪個(gè)數(shù)據(jù)仍需程序提供一個(gè)偏移量繼續(xù)判斷。此時(shí)可以先由緩存區(qū)中去掉lead四個(gè)位的數(shù)據(jù)與鎖定的霍夫曼表對(duì)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(gè)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(duì)小于等于15的量化值直接編碼，對(duì)大于15的量化值采用ESC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(hào)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(gè)運(yùn)算模塊，而霍夫曼解碼占整個(gè)運(yùn)算量總和的1/5。利用CCS的Profile工具對(duì)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(duì)于每秒解50幀以上的實(shí)時(shí)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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