基于uC／OS-II的MP3文件播放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

近幾年，MP3音頻產(chǎn)品受到消費(fèi)者的青睞，而高質(zhì)量的音效是當(dāng)前MP3音頻產(chǎn)品發(fā)展的重要趨勢(shì)。MP3文件解碼一般采用軟件解碼和硬件解碼兩種方法。硬件解碼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但需增加硬件成本。軟件解碼需占用大量CPU時(shí)間，實(shí)現(xiàn)難度大，但成本低、處理靈活，只要CPU具有足夠的處理速度則是一種很好選擇。本文介紹了MP3文件播放系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，采用Cirrus Logic公司的EP9315處理器和UDA1341編解碼器，并介紹了基于μC／OS-II開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的MP3解碼原理，播放函數(shù)以及硬件接口初始化等。

2 MP3編解碼原理

MP3是MPEG-1 Atdio Layer-3的縮寫(xiě)，它是一套完整的基于感知的音頻編碼算法。這一算法應(yīng)用了心理聲學(xué)模型可達(dá)到1：12的壓縮比率。心理聲模型應(yīng)用于人耳特性，最大限度保持原始聲音質(zhì)量。MPEG-1 Audio編碼對(duì)象是20 Hz～20 000 Hz的寬帶聲音，采用感知子帶編碼，也叫做子帶編碼(sub-band coding，SBC)，從而達(dá)到既壓縮聲音數(shù)據(jù)又盡可能保持聲音原有質(zhì)量的目的。SBC編碼對(duì)象不局限于話音數(shù)據(jù)和某一種聲源。具體思想是：首先把時(shí)域中的聲音數(shù)據(jù)變換到頻域，對(duì)頻域內(nèi)的子帶分量分別量化和編碼，根據(jù)心理聲學(xué)模型確定樣本精度，從而達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)量的目的。子帶編碼的理論根據(jù)是聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的掩蔽特性，主要是利用頻域掩蔽特性，編碼過(guò)程中保留信號(hào)帶寬，但是卻扔掉被掩蔽的信號(hào)，因此編碼后還原(解碼、重構(gòu))的聲音信號(hào)與編碼前的聲音信號(hào)不相同，但人的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)很難分辨出它們的差別。因此，對(duì)于聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，這種壓縮是"無(wú)損壓縮"。

當(dāng)打開(kāi)MP3文件后，播放器首先試圖對(duì)幀進(jìn)行同步，然后分別讀取通道息及增益因子等數(shù)據(jù)，再進(jìn)行霍夫曼解碼，至此已獲得解壓數(shù)據(jù)。但這些數(shù)據(jù)不能播放，它們?nèi)蕴幱陬l域，若要播放，還需將其通過(guò)特定手段由頻域變換到時(shí)域。然后再分別進(jìn)行立體化處琿、抗鋸齒處理、IMDCT變換、IDCT變換及窗口化滑動(dòng)處理。這樣得到的數(shù)據(jù)就可進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換并播放。

MP3歌曲的解碼是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，可通過(guò)Start_mp3_decode()解碼函數(shù)完成。另外，還需給解碼函數(shù)進(jìn)行供給數(shù)據(jù)、針對(duì)音頻接口的初始化、針對(duì)播放過(guò)程的初始化等操作。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本系統(tǒng)以EP9315為核心，包括Philips公司的UDA1341型立體聲音頻編解碼器、SDRAM、Flash存儲(chǔ)器。處理器通過(guò)IIS接口控制音頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)存(SDRAM)與UDA1341之間傳輸。通過(guò)L3控制端口實(shí)現(xiàn)UDA1341的配置和控制，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)MP3采用USB Host結(jié)構(gòu)，使用時(shí)需插U盤。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.2 音頻解碼器接口部分

IIS(inter-IC Sound)總線是Philips公司提出的串行數(shù)字音頻總線協(xié)議。它是一種面向多媒體的音頻總線專用于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)字立體聲提供序列的連接至標(biāo)準(zhǔn)編解碼器。IIS總線只處理聲音數(shù)據(jù)，其他信號(hào)(如控制信號(hào))必須單獨(dú)傳輸。為了使電路的引出腳盡可能少，IIS只使用3條串行總線提供分時(shí)復(fù)用功能的數(shù)據(jù)線、字段選擇線和時(shí)鐘信號(hào)線。

整個(gè)音頻系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是CPU與編解碼器的連接。本系統(tǒng)采用Philips公司的基于IIS音頻總線UDA1341型音頻編解碼器。UDA1341支持IIS總線數(shù)據(jù)格式，采用位元流轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數(shù)字自動(dòng)增益控制器(AGC)。UDA1341對(duì)外提供兩組音頻信號(hào)輸入接口，每組包括左右2個(gè)聲道。由于IIS總線只處理音頻數(shù)據(jù)，因此UDA1341還內(nèi)置用于傳輸控制信號(hào)的L3總線接口。L3接口相當(dāng)于混音器控制接口，可以控制輸入／輸出音頻信號(hào)的低音及音量大小等。L3接口接至EP9315的3個(gè)通用GPIO輸入輸出引腳。EP9315內(nèi)置多達(dá)6通道的IIS總線接口，可直接外接16位的立體聲編解碼器，含有3個(gè)發(fā)送通道和3個(gè)接收通道。EP9315支持12個(gè)獨(dú)立的DMA通道，其中10個(gè)通道是用于外圍模塊與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，另外2個(gè)通道是專用于存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。 如圖2所示，器件EP9315的IIS總線信號(hào)與UDA1341的IIS信號(hào)直接相連接。L3接口的引腳L3MODE、L3CLOCK和L3DATA分別與EP9315的EGPI012、EGPIO11和EGPIO10通用數(shù)據(jù)輸出引腳相連，利用這3個(gè)I／O端口模擬L3總線的全部時(shí)序和協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II

對(duì)大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備而言，采用公開(kāi)源代碼的操作系統(tǒng)μC／OS-II是最好的選擇。μC／OS-II是一個(gè)完整、可移植、可固化及可裁減占先實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。μC／OS-II大致分為內(nèi)核、任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)同步與通信、與CPU的接口等5部分，其中任務(wù)管理部分與任務(wù)操作密切相關(guān)，包括任務(wù)建立、刪除、掛起、恢復(fù)等。任務(wù)同步與通信部分包括信號(hào)郵箱、郵箱隊(duì)列和時(shí)間標(biāo)志等部分，主要用于任務(wù)間的相互聯(lián)系和對(duì)臨界資源的訪問(wèn)。

4.2 μC／OS-II內(nèi)核的多任務(wù)管理

μC／OS-II除了具有良好的穩(wěn)定性和安全性外，主要是對(duì)多任務(wù)的管理，可以管理多達(dá)64個(gè)任務(wù)。除了8個(gè)白用任務(wù)外，用戶的應(yīng)用程序最多可達(dá)56個(gè)任務(wù)。

在多任務(wù)系統(tǒng)中，內(nèi)核負(fù)責(zé)管理各個(gè)任務(wù)，并且負(fù)責(zé)任務(wù)之間的通信。內(nèi)核提高的基本服務(wù)是任務(wù)切換，由實(shí)時(shí)內(nèi)核管理。一個(gè)任務(wù)有5種狀態(tài)，在任意給定時(shí)刻，任務(wù)狀態(tài)一定是這5種狀態(tài)之一：休眠、就緒、運(yùn)行、掛起(等待某事件發(fā)生)和被中斷。

μC／OS-II總是進(jìn)入就緒狀態(tài)任務(wù)中優(yōu)先級(jí)最高的那一個(gè)。通過(guò)任務(wù)級(jí)的調(diào)度函數(shù)OSSched()或者中斷級(jí)的調(diào)度函數(shù)OSIntExt()在任務(wù)就緒列表OSRdyTb()中查找。在確定優(yōu)先級(jí)最高的就緒態(tài)任務(wù)后，如果有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)要運(yùn)行，調(diào)用OS_TASK_SW()完成實(shí)際的任務(wù)切換。

4.3 μC／OS-II任務(wù)間通信

μC／OS-II有3種用于數(shù)據(jù)共享和任務(wù)通信方法：信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列。信號(hào)量是一個(gè)二值量或可計(jì)數(shù)量，用于表示一個(gè)或者多個(gè)事件的發(fā)生?；蛘哂糜趯?shí)現(xiàn)共享資源的互斥訪問(wèn)。任務(wù)調(diào)用函數(shù)OSSemPend()等待一個(gè)信號(hào)量，用OSSemPost()發(fā)送一個(gè)信號(hào)量。郵箱和消息隊(duì)列都是μC／OS-II中利用指針變量的通信機(jī)制。郵箱中包含一個(gè)指針，指向包含了特定"消息"的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，也可把郵箱當(dāng)作二值信號(hào)量實(shí)現(xiàn)資源互斥訪問(wèn)。而消息隊(duì)列可看作是多個(gè)郵箱組成的數(shù)組，只是它們共用一個(gè)等待任務(wù)列表。每個(gè)指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可按具體應(yīng)用設(shè)定。 此系統(tǒng)中含有播放(play)、暫停播放(pause)、停止播放(stop)、音量控制(control volume)、下載音樂(lè)(download)5個(gè)任務(wù)。各任務(wù)設(shè)置相應(yīng)任務(wù)堆棧和優(yōu)先級(jí)，其中download任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，其他4個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低依次為停止播放(stop-task)、暫停播放(pause-task)、音量控制(control volume-task)、播放(plav-task)。這樣在播放(play-task)運(yùn)行態(tài)時(shí)，其他任務(wù)也能獲得CPU控制權(quán)，完成播放過(guò)程中的其他功能。

ARM處理器有音頻文件解碼庫(kù)，能夠有效的解碼MP3格式的歌曲，輸出16-bit立體聲PCM數(shù)據(jù)。在播放任務(wù)play-task中，調(diào)用int play(struct audio_play *play)函數(shù)播放歌曲，struct audio_play *play是自定義的audio_play類型指針。播放時(shí)調(diào)用voidwrite_dev()初始化IIS接口和DMA2，以下為實(shí)現(xiàn)軟件播放的主要代碼：

5 運(yùn)行播放任務(wù)時(shí)接口初始化

在系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)，需初始化硬件函數(shù)，各接口的初始化根據(jù)任務(wù)的具體執(zhí)行要求，設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器實(shí)現(xiàn)。ARM存儲(chǔ)系統(tǒng)中，所有I／O映射為地址空間，易于實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作。其中對(duì)UDA1341的初始化需要注意L3控制端口的時(shí)序。因?yàn)長(zhǎng)3控制端口由ARM器件的通用PORT控制，需軟件編程實(shí)現(xiàn)傳送控制信息過(guò)程中符號(hào)L3的時(shí)序。

實(shí)現(xiàn)IIS初始化的主要代碼為：

本系統(tǒng)充分利用了μC／OS-II的多任務(wù)管理和任務(wù)通信功能，提出了一種基于EP9315處理器的MP3文件播放系統(tǒng)，支持串口調(diào)試和USB接口下載歌曲。由于系統(tǒng)采用UDA1341編解碼器件，具有音頻輸入接口，因此可以擴(kuò)展系統(tǒng)的錄音功能。