MP3解碼的IMDCT硬件加速器方案

MPEG-l／2 Audio Layer 3(簡(jiǎn)稱MP3)，是專門針對(duì)音樂(lè)和語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的有損壓縮算法。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，會(huì)有越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)支持MP3應(yīng)用。因此，如何在嵌入式系統(tǒng)中利用有限的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)MP3的實(shí)時(shí)解碼，成為值得關(guān)注的問(wèn)題。MP3解碼算法流程主要包括：幀同步和邊帶信息解碼、Huffman解壓縮、反量化、立體聲解碼、反鋸齒、IMDCT和子帶合成運(yùn)算等。解碼軟件效率評(píng)估得到的數(shù)據(jù)表明，IMDCT過(guò)程的運(yùn)算量占到了整個(gè)解碼運(yùn)算總量的19％，由此設(shè)想在系統(tǒng)級(jí)芯片內(nèi)部添加一小塊專用電路，專門負(fù)責(zé)處理MP3解碼過(guò)程中IMDCT部分的運(yùn)算。我們把這一小塊專用電路稱為“IMDCT硬件加速器”。將這部分代碼通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，并以硬件速度執(zhí)行這些運(yùn)算，可以有效地提高系統(tǒng)的解碼性能。
本文采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法，提出了一種針對(duì)IMDCT運(yùn)算的硬件加速器方案，目的在于使MP3解碼過(guò)程中的速度和成本這兩大要素得到優(yōu)化。

1 IMDCT運(yùn)算
MP3解碼算法中使用反向修正離散余弦變換IMDCT(Inverse Modified Discrete Cosine Transform)將輸入數(shù)據(jù)從頻域變換到余弦域，對(duì)子帶濾波進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，如下式：

式中：在長(zhǎng)窗類型幀中n取36；在短窗類型幀中n取12。
完成IMDCT變換后，結(jié)果xi必須再與視窗函數(shù)Wi作乘積運(yùn)算。視窗函數(shù)是由邊帶信息中bllk_type位的值來(lái)確定的。長(zhǎng)窗類型叉可以根據(jù)幀首部定義進(jìn)一步劃分為aormal、start、stop三種子類型，IMDCT變換得到36個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)；而在短窗類型下，MP3解碼器將執(zhí)行3次IM-DCT變換產(chǎn)生12個(gè)輸出結(jié)果，然后互相疊加補(bǔ)零后也得到36個(gè)數(shù)據(jù)，類似于長(zhǎng)窗類型的輸出結(jié)果。將這36個(gè)數(shù)據(jù)與上一次的結(jié)果進(jìn)行疊加，得到IMDCT變換的18個(gè)最終輸出結(jié)果。音頻數(shù)據(jù)分單聲道和雙聲道，包含若干顆粒；每個(gè)顆粒有576個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，共包括32個(gè)數(shù)據(jù)塊，需要分別進(jìn)行IMDCT變換。一個(gè)顆粒變換完成后，經(jīng)過(guò)較為簡(jiǎn)單的頻率反轉(zhuǎn)后得到的18個(gè)子帶(每個(gè)子帶包含32個(gè)數(shù)據(jù))即可作為子帶合成的輸入信息。我們把從18項(xiàng)輸入數(shù)據(jù)到18項(xiàng)輸出數(shù)據(jù)的整個(gè)過(guò)程(包括IMDCT變換、數(shù)據(jù)加窗運(yùn)算、疊加)稱為“IMDCT運(yùn)算”，如圖1所示。本文所討論的IMDCT硬件加速器，即實(shí)現(xiàn)這部分功能的專用電路。

2 IMDCT變換算法的選擇
ISO標(biāo)準(zhǔn)解碼代碼里，IMDCT變換的算法沒(méi)有進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)式(1)中n=12時(shí)，做一次IMDCT需要72次乘法和66次加法；n=36時(shí)，做一次IMDCT需要648次乘法和630次加法?？梢?jiàn)，IMDCT變換占用了大量的CPU時(shí)間，成為MP3解碼過(guò)程中主要的性能瓶頸之一。將IMDCT做成硬件加速模塊，也需要使用更快速的IMDCT算法，以進(jìn)一步提高速度。這里引入一種新型的IMDCT算法。運(yùn)用這種算法，當(dāng)式(1)中n=12時(shí)，做一次IMDCT只需13次乘法和39次加法；n=36時(shí)，做一次IMDCT需要47次乘法和165次加法(詳見(jiàn)參考文獻(xiàn))。同時(shí)，采用余弦查找表來(lái)代替實(shí)際的cos()函數(shù)運(yùn)算，以加快長(zhǎng)窗下的cos 36和短窗下的cos 12的變換速度。IMDCT算法改進(jìn)后，運(yùn)算過(guò)程得到簡(jiǎn)化，乘法數(shù)量大大減少，從而提高了系統(tǒng)性能。

3 疊加運(yùn)算的優(yōu)化
速度和成本是設(shè)計(jì)的兩大要素。考慮到硬件成本，IMDCT硬件單元的面積應(yīng)受到嚴(yán)格控制。這里提出一種疊加運(yùn)算的優(yōu)化算法，利用該算法，可以節(jié)省23118個(gè)字的存儲(chǔ)電路單元。下面對(duì)此優(yōu)化算法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
IMDCT運(yùn)算的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

可以看到，對(duì)于雙聲道立體聲數(shù)據(jù)(stereo=2)，常見(jiàn)的算法是對(duì)前一區(qū)塊2個(gè)顆粒(共23218個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng))進(jìn)行IMDCT運(yùn)算，保存23218個(gè)字的高18項(xiàng)數(shù)據(jù)，再對(duì)下一區(qū)塊的23218個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行IMDCT運(yùn)算，將得到的23218個(gè)字的低18項(xiàng)數(shù)據(jù)與之前保存的上一區(qū)塊的高18項(xiàng)數(shù)據(jù)相疊加，得到輸出結(jié)果。將IMDCT運(yùn)算的數(shù)據(jù)疊加部分用硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要一塊大小為23218個(gè)字的存儲(chǔ)電路(prevbuf[2][32][18])來(lái)存儲(chǔ)高18項(xiàng)數(shù)據(jù)，用于下一步的疊加運(yùn)算。對(duì)嵌入式SoC來(lái)說(shuō)，降低存儲(chǔ)電路的需求意味著減小芯片面積。于是采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方式對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)改變IMDCT運(yùn)算所需數(shù)據(jù)的輸入次序，相對(duì)減少IMDCT變換輸出數(shù)據(jù)的量。如此一來(lái)，有效地減少了硬件加速器的存儲(chǔ)單元，減小了電路面積。
首先，在解碼軟件里，完成2個(gè)區(qū)塊4個(gè)顆粒數(shù)據(jù)的反鋸齒運(yùn)算，并將結(jié)果存儲(chǔ)到一片連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域內(nèi)。具體做法如下：

然后，采用交錯(cuò)讀取數(shù)據(jù)的方法，先將處在區(qū)塊相同位置、需要進(jìn)行疊加的子帶進(jìn)行IMDCT運(yùn)算。這樣，可以將存儲(chǔ)中間結(jié)果的prevbuf縮小到218個(gè)字，大大降低了對(duì)存儲(chǔ)單元的需求，減小了電路面積。具體實(shí)現(xiàn)如下：

4 硬件實(shí)現(xiàn)
由圖l可知，IMDCT運(yùn)算主要包含3部分：IMCCT變換、數(shù)據(jù)加窗運(yùn)算以及疊加運(yùn)算。IMDCT變換部分主要是把由反鋸齒運(yùn)算得到的數(shù)據(jù)IN與cos系數(shù)相乘和累加，并把最后的結(jié)果放入寄存器SUM中；加窗運(yùn)算是把計(jì)算好的SUM與加窗系數(shù)Wi相乘；疊加部分則是將加窗運(yùn)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加?？傮w結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由圖2可知，通過(guò)合理的流程設(shè)計(jì)和利用多路選擇器(MUX)，整個(gè)硬件加速器只需要1個(gè)乘法器和1個(gè)加法器，大大降低了通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)IMDCT運(yùn)算的成本。

結(jié) 語(yǔ)
本文通過(guò)引進(jìn)新的IMDCT變換算法，優(yōu)化IMDCT運(yùn)算過(guò)程中的疊加運(yùn)算，加快了整體的運(yùn)算速度，降低了對(duì)存儲(chǔ)單元的需求，為高速度、低成本地實(shí)現(xiàn)IMDCT硬件加速器提供了一種方案。