Linux下ColdFire片內(nèi)SRAM的應(yīng)用程序優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(yīng)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(tái)和軟件架構(gòu)

硬件平臺(tái)采用Freescale公司的MCF5329EVB開(kāi)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(pán)、I2S音頻解碼芯片、64 MB的SDRAM、10/100M以太網(wǎng)接口，以及3個(gè)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(dòng)、鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)和用戶圖形界面 (GUI)等模塊。采用μClinux作為操作系統(tǒng)。μClinux針對(duì)嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)作了較大的簡(jiǎn)化和修改，支持多種文件系統(tǒng)和多任務(wù)處理，而且具有相對(duì)完整的網(wǎng)絡(luò)體系協(xié)議，因而特別適合嵌入式應(yīng)用。

2 MP3解碼算法分析

本文選用MP3解碼程序作為方案驗(yàn)證代碼。MPEG-1/2 Audio Layer 3是專(zhuān)門(mén)針對(duì)音樂(lè)和語(yǔ)音數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的有損壓縮算法。該算法的解碼過(guò)程比較復(fù)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(cè)數(shù)據(jù)流中的同步字，以確定一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)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(shí)分離出幀邊信息和主數(shù)據(jù);之后對(duì)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(guò)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(gè)階段，即數(shù)據(jù)流控制階段和數(shù)值計(jì)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(guò)程。其中，Huffman解壓縮是對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，其他過(guò)程則是對(duì)幀控制部分進(jìn)行操作。

3 基于片內(nèi)SRAM的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案將充分利用處理器片內(nèi)SRAM來(lái)對(duì)解碼程序進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)源代碼中的主要解碼函數(shù)進(jìn)行分析，如表1所列?？梢钥吹津?qū)動(dòng)寫(xiě)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(duì)處理器資源消耗較大，幾乎占用80%的解碼時(shí)間。根據(jù)分析結(jié)果，分別把音頻驅(qū)動(dòng)程序和上述解碼函數(shù)放進(jìn)SRAM中執(zhí)行，以提高流媒體解碼器的執(zhí)行速度，降低其對(duì)處理器資源的消耗。

3.2 配置音頻驅(qū)動(dòng)程序到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行

Linux操作系統(tǒng)把內(nèi)核和運(yùn)行在其上的應(yīng)用程序分成兩個(gè)管理層次，也就是常說(shuō)的“內(nèi)核態(tài)”和“用戶態(tài)”。內(nèi)核態(tài)具有較高的應(yīng)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(dòng)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(shí)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(dòng)音頻芯片播放聲音等相關(guān)功能。通過(guò)修改μClinux-2.6內(nèi)核代碼，可以將音頻驅(qū)動(dòng)程序配置到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行，主要通過(guò)修改系統(tǒng)鏈接文件來(lái)實(shí)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(gè)輸出文件，并對(duì)符號(hào)與地址進(jìn)行綁定。

為了在修改內(nèi)核代碼的同時(shí)不影響系統(tǒng)其他文件的正常運(yùn)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(chǔ)驅(qū)動(dòng)中的代碼和數(shù)據(jù)。對(duì)齊方式采用ALIGN(4)，因?yàn)閷?duì)32位微處理器來(lái)說(shuō)，該對(duì)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(gè)指針_lsramcode和_lsramcodeend分別指向，sramcode段區(qū)的段首和段尾，具體實(shí)現(xiàn)如下：

完成對(duì)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(dòng)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(fù)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(chǔ)映射文件Sys-tem.map中查看驅(qū)動(dòng)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(dòng)函數(shù)在處理器片內(nèi)SRAM中的映射地址。

3.3 配置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和函數(shù)到片內(nèi)SRAM中執(zhí)行

把用戶空間的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到處理器片內(nèi)SRAM中。通過(guò)S_malloc和S_free函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：S_malloc用來(lái)申請(qǐng)?zhí)幚砥鲀?nèi)存空間，S_free用來(lái)對(duì)這一申請(qǐng)的空間進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)體和地址指針：

然后，通過(guò)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配方式可以把MP3解碼程序中的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不同，需要通過(guò)指針和枚舉變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先通過(guò)一個(gè)宏定義設(shè)置每個(gè)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。[!--empirenews.page--]

SRAMFUNC2=SRAM_BIG_FUNC1+BIG_FUNC_SIZE，…};

在定義完函數(shù)運(yùn)行時(shí)加載的存儲(chǔ)地址之后，把MP3解碼程序中的MPEGSUB_synthesis和imdct_1等函數(shù)通過(guò)字符串拷貝的方式復(fù)制到處理器片內(nèi)SRAM中執(zhí)行，經(jīng)過(guò)編譯、鏈接這些函數(shù)在執(zhí)行時(shí)將會(huì)加載到相應(yīng)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(shí)間，提高了程序的執(zhí)行效率。

4 性能測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證基于處理器片內(nèi)SRAM的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，我們?cè)贛CF5329EVB開(kāi)發(fā)板上對(duì)經(jīng)該方案優(yōu)化過(guò)的MP3解碼器進(jìn)行了驗(yàn)證和測(cè)試。

首先，進(jìn)行功能測(cè)試，應(yīng)用MPEG組織推薦的測(cè)試碼流(128 kb/s，44.1 kHz)。選用一段音頻test.mp3，分別用標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)解碼器和本文設(shè)計(jì)的音頻解碼器進(jìn)行本地解碼測(cè)試，并對(duì)其解碼波形進(jìn)行比較分析。從圖4的波形比較可以看到，經(jīng)過(guò)本方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的解碼器解碼波形與標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)解碼器基本無(wú)差別。經(jīng)人耳測(cè)試，無(wú)法辨別出兩者解碼輸出的差別。所以，從功能上講本文設(shè)計(jì)的基于片內(nèi)SRAM的應(yīng)用程序優(yōu)化方案是可行的。

其次，進(jìn)行性能測(cè)試。在測(cè)試平臺(tái)上分別對(duì)優(yōu)化前后解碼器的MIPS消耗數(shù)和空間消耗量進(jìn)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(guò)本文方案優(yōu)化后，解碼效率得到了很大的提高。

結(jié) 語(yǔ)

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(yīng)用程序優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。以 MP3解碼器為例，通過(guò)從配置音頻驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和函數(shù)到處理器片內(nèi)SRAM中執(zhí)行來(lái)對(duì)解碼器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在ColdFire5329開(kāi)發(fā)平臺(tái)上成功實(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)播放，使低性能CPU處理復(fù)雜應(yīng)用程序成為可能。該方案有效地提高了應(yīng)用程序的執(zhí)行效率，降低了功耗，對(duì)嵌入式Linux應(yīng)用產(chǎn)品開(kāi)發(fā)有著重要參考價(jià)值。