關鍵詞： IPP , 嵌入式 , 音頻解碼器

1 前言

隨著信息技術的飛速發展，形式多樣的數字化產品已經開始成為繼PC機后的信息處理工具，在這種數字化潮流下，嵌入式系統已成為當前研究和應用的熱點之一。嵌入式手持設備的視音頻多媒體應用也越來越廣泛.由于嵌入式系統的應用要求及成本因素決定了嵌入式系統在系統資源, 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函數實現針對特定處理器的特定關鍵算法進行程序結構重組和優化，為嵌入式系統低功耗高代碼執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）是一個交叉架構的跨平臺軟件庫，提供了大量庫功能，用于多媒體，音頻編碼，視頻編碼,計算機視覺密碼系統以及此類處理的數學過程。通過一個跨多種架構上的單一API，可以獲得平臺兼容性，減少開發成本。提升信號，影像，多媒體處理和矢量計算的執行效率。  

利用IPP優化的步驟首先是程序結構的重新設計。由于IPP 提供的接口為固定接口，在原程序基礎上以IPP函數代替，這意味著需要額外添加變量和步驟，如果程序結構設計不當將在相當程度上抵消使用IPP而帶來的增益 。為了避免這種情況，對于原來的程序結構往往不能限于局部的調整，而要圍繞利用IPP提供的接口為核心，進行較大規模的調整和安排。  

3 基于Linux的系統框架和集成開發環境的搭建  

3.1 開發平臺的搭建  

由于嵌入式系統本身不具有軟件開發能力，采用PC+目標機的開發方式，在運行linux2.4.20內核的PC機上為PXA 255板提供開發和交叉編譯環境。利用PXA 255板的FF串口作調試口與PC的串口相連，可方便地進行調試工作，利用PXA255板的以太網接口和PC相連，建立點對點的連結，在PC上建立FTP服務器，將應用程序及內核等文件通過以太網接口傳到PXA255板上。  

3.2 交叉編譯環境的建立  

要在PC上開發出能運行在PXA255板上的程序，必須在PC上為其建立一個針對ARM芯片的交叉編譯環境，為此，將用到交叉編譯工具鏈，包括：交叉編譯工具arm-linux-gcc、二進制文件處理工具arm-linux-binutils及鏈接和運行庫arm-linux-blibc。  
建立起交叉編譯環境后，就可以用此交叉編譯器為PXA255板編譯其內核和應用程序了。整個開發環境的結構框圖如下：  

  
圖(1) 開發環境的結構框圖  

3.3 基于QT/Embedded庫的GUI開發環境的建立  

為使在通用PC上編譯連接的程序能在目標平臺PXA255板上運行，必須在開發端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。  

為了提高程序開發的效率，可以為QT/E安裝一個生成Makefile的工具Tmake。用它來生成Makefile文件可以節省很多時間。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（－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板上可執行的文件了。  

4 MP3音頻播放器圖形界面GUI設計與實現  

本設計用QTE/QTopia作為應用程序圖形界面GUI的類庫和桌面開發環境。Qt/Embedded是Trolltech公司開發的面向嵌入式系統的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最為優秀的一方面，使用X下的開發工具Qt Designer可以直接開發基于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接口說明，其中封裝和移植IPP低層API操作的成員函數將在文章第5部分作出相應的解釋和描述，播放器類在Qt中定義如下：  

class MediaPlayer:public QWidget  
{  
public:/*構造函數初始化播放器各參數*/  
MediaPlayer(QWidget *parent=0,const char *name=0);  
public slots: /*Qt中的消息響應槽函數, 定義播放器的各種操作成員函數*/  
void fi leopen();     
…  
private:  
/*播放狀態控制、播放器界面控制和GUI插件*/  
int stplayer; /* 0:stop 1:play 2:pause*/  
QMenuBar *menu;   

5 MP3音頻解碼流程與關鍵算法移植   

5.1 IPP中提供的高效音頻處理API介紹  

本設計采用了IPP的MP3播放解碼過程中的解碼相關的高效算法，這樣使得MP3播放的任務轉向流程控制，而不必編寫具體的解碼代碼。MP3解碼函數和功能如下：  

（1）ippsUnpackFrameHeader_MP3/ *解包MP3幀頭，輸出IppMP3FrameHeader結構體*/  
（2）ippsUnpackSideInfo_MP3/*解包MP3枝節信息，輸出IppMP3SideInfo結構體*/  
（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，輸出解碼后的數據*/  
（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文件能夠連續的播放，需要為原始二進制在內存中建立一個FIFO緩沖區，以保證每個時刻都有足夠的數據，這個緩沖區要有足夠的大小，當緩沖區數據小于某個值時，就要及時寫入新的數據，在程序的主循環中需要有段判FIFO數據情況和填入數據的程序。主數據也需要一個緩沖區，用來存放解碼時用到的數據，播放MP3文件的大致流程如下：  

5.2 MP3音頻解碼流程  

為了MP3文件能夠連續的播放，需要為原始二進制在內存中建立一個FIFO緩沖區，以保證每個時刻都有足夠的數據，這個緩沖區要有足夠的大小，當緩沖區數據小于某個值時，就要及時寫入新的數據，在程序的主循環中需要有段判FIFO數據情況和填入數據的程序。主數據也需要一個緩沖區，用來存放解碼時用到的數據，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播放要求實時性很高，所以不能跟用戶控制程序放在一起，需要為它創建一個線程。通過Linux下的Pthread線程，它可以共享內存的數據，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線程里面去，通過共享內存數據由主線程來處理用戶操作、啟動、暫停和結束播放線程序。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、鼠標點擊等）不必等待MP3解碼完成而不能得到及時響應。  

5.3 MP3音頻解碼關鍵算法對IPP關鍵算法的API移植封裝接口  

鑒于篇幅關系，不對每一個API移植和具體操作都進行詳細闡述，如上所述，IPP最底層的音頻解碼函數有ippsUnpackFrameHeader_MP3…ippsSynthPQMF_MP3_32s16s等，我們先對上述函數進行第一層移植，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MyAudioApi.cpp文件里面，添加到用Qt做圖形界面GUI的項目中一起編譯。  

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

void mp3open(char filename);/*打開MP3文件并創建解碼線程*/  
void mp3play(void); /*設置ispause共享變量為假，重新進入播放線程循環體*/  
void mp3pause(void);/*設置ispause共享變量為真*/  
void mp3stop(void); /*設置done共享變量為真，等待播放線程結束*  

需要說明的是上述函數完成播放器用戶界面中啟動音頻播放、控制暫停和結束播放功能，通過多線程之間共享內存數據的方式進行線程間的通信，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播放線程主函數進行解釋和流程分析*/  
{ 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播放解碼*/  
{ if(!ispause)/*通過判斷線程之間的共享變量ispause判斷時候有暫停鍵按下*/  
switch( DecodeMP3Frame(&bs,pcm,&DecoderState) )  
{/*根據解碼函數返回的狀態選擇下一步操作*/   
case MP3_FRAME_COMPLETE:  
/*緩沖區中已有足夠數據來解碼一幀流數據*/  
…}}  
/*關閉 I/O 音頻設備，此MP3文件播放結束*/  
}  

6 結束語  

IPP能夠實現底層的交差平臺 的軟件開發，提供高集成的數據通訊，單信號處理以及多媒體功能等，Intel IPP并且能夠幫助優化電力消耗，達到最佳的CPU執行效率。其嵌入式的移植應用更是為實現手持設備上的低功耗,高代碼執行效率提供了一種可行的軟件優化方案。