本文以MP3解碼器為例，介紹了一種在嵌入式Linux系統(tǒng)下配置使用處理器片內(nèi)SRAM的應用方案，有效提高了代碼的解碼效率，降低了執(zhí)行功耗。該方案不論在性能還是成本上都得到了很大改善。
1 硬件平臺和軟件架構(gòu)
硬件平臺采用Freescale公司的MCF5329EVB開發(fā)板。終端硬件包括ColdFire5329處理器、32 KB的片內(nèi)SRAM、1 800×600矩陣LCD顯示屏、9×3陣列矩陣鍵盤、I2S音頻解碼芯片、64 MB的SDRAM、10／100M以太網(wǎng)接口，以及3個UART接口。軟件構(gòu)架如圖1所示，主要包括MP3解碼器、音頻驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動和用戶圖形界面 (GUI)等模塊。采用μClinux作為操作系統(tǒng)。μClinux針對嵌入式應用的特點作了較大的簡化和修改，支持多種文件系統(tǒng)和多任務處理，而且具有相對完整的網(wǎng)絡體系協(xié)議，因而特別適合嵌入式應用。
2 MP3解碼算法分析
本文選用MP3解碼程序作為方案驗證代碼。MPEG-1／2 Audio Layer 3是專門針對音樂和語音數(shù)據(jù)設計的有損壓縮算法。該算法的解碼過程比較復雜，主要包括反向修正離散余弦變換(IMDCT)、逆量化、Huffman解碼、子帶綜合等功能模塊。讀入一段MP3數(shù)據(jù)后，首先要檢測數(shù)據(jù)流中的同步字，以確定一幀數(shù)據(jù)的開始；然后提取幀頭信息，特別是解碼所需要的一些參數(shù)，同時分離出幀邊信息和主數(shù)據(jù)；之后對邊信息數(shù)據(jù)解碼得到Huffman解碼信息和逆量化信息，再經(jīng)過重新排序、立體聲處理、反混疊處理、IMDCT變換和子帶綜合濾波器組后，就可以得到PCM輸出。
MP3解碼流程如圖2所示。大致分為兩個階段，即數(shù)據(jù)流控制階段和數(shù)值計算階段。數(shù)據(jù)流控制階段包括幀同步、邊帶信息解碼和Huffman解壓縮等過程。其中，Huffman解壓縮是對編碼數(shù)據(jù)進行操作，其他過程則是對幀控制部分進行操作。
3 基于片內(nèi)SRAM的優(yōu)化設計方案
3．1 方案分析
SRAM指令執(zhí)行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329處理器內(nèi)部集成了32 KB的SRAM，本設計方案將充分利用處理器片內(nèi)SRAM來對解碼程序進行優(yōu)化。首先對源代碼中的主要解碼函數(shù)進行分析，如表1所列?？梢钥吹津?qū)動寫函數(shù) (write)、子帶綜合(MPEGSUB_synthesis)、反向修正離散余弦變換(imdct_I)和快速離散余弦變換(fast_dct)對處理器資源消耗較大，幾乎占用80％的解碼時間。根據(jù)分析結(jié)果，分別把音頻驅(qū)動程序和上述解碼函數(shù)放進SRAM中執(zhí)行，以提高流媒體解碼器的執(zhí)行速度，降低其對處理器資源的消耗。
3．2 配置音頻驅(qū)動程序到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行
Linux操作系統(tǒng)把內(nèi)核和運行在其上的應用程序分成兩個管理層次，也就是常說的“內(nèi)核態(tài)”和“用戶態(tài)”。內(nèi)核態(tài)具有較高的應用權(quán)限，可以控制處理器內(nèi)存的映射和分配方式。音頻驅(qū)動程序是系統(tǒng)內(nèi)核的重要組成部分，工作在內(nèi)核態(tài)，實現(xiàn)不斷從用戶空間解碼文件中讀取音頻信息，以及驅(qū)動音頻芯片播放聲音等相關(guān)功能。通過修改μClinux-2．6內(nèi)核代碼，可以將音頻驅(qū)動程序配置到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行，主要通過修改系統(tǒng)鏈接文件來實現(xiàn)。系統(tǒng)鏈接文件用于將輸入文件根據(jù)一定的規(guī)則合并成一個輸出文件，并對符號與地址進行綁定。
為了在修改內(nèi)核代碼的同時不影響系統(tǒng)其他文件的正常運行，要在內(nèi)核鏈接腳本中添加新的段區(qū)定義(．sramcode)，指定該段區(qū)鏈接加載地址為處理器片內(nèi)SRAM，并在．sramcode段區(qū)內(nèi)定義代碼段(．sramtext)和數(shù)據(jù)段(．sramdata)，分別用于存儲驅(qū)動中的代碼和數(shù)據(jù)。對齊方式采用ALIGN(4)，因為對32位微處理器來說，該對齊方式將有效減少處理器執(zhí)行周期，提高執(zhí)行效率。然后，使用2個指針 _lsramcode和_lsramcodeend分別指向，sramcode段區(qū)的段首和段尾，具體實現(xiàn)如下：
完成對操作系統(tǒng)鏈接文件的修改之后，使用宏定義在音頻驅(qū)動程序中把相關(guān)函數(shù)和數(shù)據(jù)分別指定鏈接到，sramcode代碼段和數(shù)據(jù)段，并由 copy函數(shù)把相關(guān)函數(shù)復制到SRAM中執(zhí)行。編譯、鏈接完成后，可以在系統(tǒng)內(nèi)核存儲映射文件Sys-tem．map中查看驅(qū)動函數(shù)和數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址。圖3顯示了音頻驅(qū)動函數(shù)在處理器片內(nèi)SRAM中的映射地址。
3．3 配置實時數(shù)據(jù)和函數(shù)到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行
把用戶空間的實時數(shù)據(jù)和函數(shù)放置到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行，由于處理器可以直接從片內(nèi)SRAM中存取數(shù)據(jù)和指令，減少了處理器存取數(shù)據(jù)和指令的周期，提高了程序的執(zhí)行效率。首先，放置實時數(shù)據(jù)到處理器片內(nèi)SRAM中。通過S_malloc和S_free函數(shù)來實現(xiàn)：S_malloc用來申請?zhí)幚砥鲀?nèi)存空間，S_free用來對這一申請的空間進行釋放。為了靈活使用定義的S_malloc和S_free函數(shù)，需要定義一個結(jié)構(gòu)體和地址指針：
然后，通過動態(tài)內(nèi)存分配方式可以把MP3解碼程序中的實時數(shù)據(jù)放入處理器內(nèi)存中執(zhí)行。加載函數(shù)到SRAM中與加載實時數(shù)據(jù)不同，需要通過指針和枚舉變量來實現(xiàn)。首先通過一個宏定義設置每個函數(shù)大小為4 KB，并使用枚舉變量為函數(shù)分配處理器片內(nèi)SRAM執(zhí)行的起始地址。
SRAMFUNC2=SRAM_BIG_FUNC1+BIG_FUNC_SIZE，…}；
在定義完函數(shù)運行時加載的存儲地址之后，把MP3解碼程序中的MPEGSUB_synthesis和imdct_1等函數(shù)通過字符串拷貝的方式復制到處理器片內(nèi)SRAM中執(zhí)行，經(jīng)過編譯、鏈接這些函數(shù)在執(zhí)行時將會加載到相應的SRAM單元塊中。這樣就減少了處理器執(zhí)行解碼函數(shù)所需的時間，提高了程序的執(zhí)行效率。
4 性能測試與分析
為了驗證基于處理器片內(nèi)SRAM的優(yōu)化設計方案，我們在MCF5329EVB開發(fā)板上對經(jīng)該方案優(yōu)化過的MP3解碼器進行了驗證和測試。
首先，進行功能測試，應用MPEG組織推薦的測試碼流(128 kb／s，44．1 kHz)。選用一段音頻test．mp3，分別用標準浮點解碼器和本文設計的音頻解碼器進行本地解碼測試，并對其解碼波形進行比較分析。從圖4的波形比較可以看到，經(jīng)過本方案優(yōu)化設計的解碼器解碼波形與標準浮點解碼器基本無差別。經(jīng)人耳測試，無法辨別出兩者解碼輸出的差別。所以，從功能上講本文設計的基于片內(nèi)SRAM的應用程序優(yōu)化方案是可行的。
其次，進行性能測試。在測試平臺上分別對優(yōu)化前后解碼器的MIPS消耗數(shù)和空間消耗量進行比較分析，如表2所列。
優(yōu)化前，解碼器MIPS消耗數(shù)為68 MIPS@240MHz；優(yōu)化后，解碼器MIPS消耗數(shù)為39．2 MIPS@240 MHz。在硬件條件允許的情況下，消耗的內(nèi)存雖然有一定的增加，但是經(jīng)過本文方案優(yōu)化后，解碼效率得到了很大的提高。
結(jié)語
本文提出了在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下基于處理器片內(nèi)SRAM的應用程序優(yōu)化設計方案。以MP3解碼器為例，通過從配置音頻驅(qū)動程序、實時數(shù)據(jù)和函數(shù)到處理器片內(nèi)SRAM中執(zhí)行來對解碼器進行優(yōu)化設計，并在ColdFire5329開發(fā)平臺上成功實現(xiàn)該方案。優(yōu)化后的MP3播放器不僅解碼效率高，而且音質(zhì)好，完全可以在中低端處理器上實現(xiàn)實時播放，使低性能CPU處理復雜應用程序成為可能。該方案有效地提高了應用程序的執(zhí)行效率，降低了功耗，對嵌入式Linux應用產(chǎn)品開發(fā)有著重要參考價值。
參考文獻
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作者：電子科技大學 聶飛 閻波 郭志勇 來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》 2009（11）
