Linux下ColdFire片內SRAM的應用程序優化設計

　本文以MP3解碼器為例，介紹了一種在嵌入式Linux系統下配置使用處理器片內SRAM的應用方案，有效提高了代碼的解碼效率，降低了執行功耗。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

　　硬件平臺采用Freescale公司的MCF5329EVB開發板。終端硬件包括ColdFire5329處理器、32 KB的片內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以太網接口，以及3個UART接口。軟件構架如圖1所示，主要包括MP3解碼器、音頻驅動、鍵盤驅動和用戶圖形界面(GUI)等模塊。采用μClinux作為操作系統。μClinux針對嵌入式應用的特點作了較大的簡化和修改，支持多種文件系統和多任務處理，而且具有相對完整的網絡體系協議，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據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數據后，首先要檢測數據流中的同步字，以確定一幀數據的開始；然后提取幀頭信息，特別是解碼所需要的一些參數，同時分離出幀邊信息和主數據；之后對邊信息數據解碼得到Huffman解碼信息和逆量化信息，再經過重新排序、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，即數據流控制階段和數值計算階段。數據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解壓縮是對編碼數據進行操作，其他過程則是對幀控制部分進行操作。

　　3 基于片內SRAM的優化設計方案

　　3．1 方案分析

　　SRAM指令執行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329處理器內部集成了32 KB的SRAM，本設計方案將充分利用處理器片內SRAM來對解碼程序進行優化。首先對源代碼中的主要解碼函數進行分析，如表1所列。可以看到驅動寫函數(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。根據分析結果，分別把音頻驅動程序和上述解碼函數放進SRAM中執行，以提高流媒體解碼器的執行速度，降低其對處理器資源的消耗。

　　3．2 配置音頻驅動程序到片內SRAM中執行

　　Linux操作系統把內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“內核態”和“用戶態”。內核態具有較高的應用權限，可以控制處理器內存的映射和分配方式。音頻驅動程序是系統內核的重要組成部分，工作在內核態，實現不斷從用戶空間解碼文件中讀取音頻信息，以及驅動音頻芯片播放聲音等相關功能。通過修改μClinux-2．6內核代碼，可以將音頻驅動程序配置到片內SRAM中執行，主要通過修改系統鏈接文件來實現。系統鏈接文件用于將輸入文件根據一定的規則合并成一個輸出文件，并對符號與地址進行綁定。

　　為了在修改內核代碼的同時不影響系統其他文件的正常運行，要在內核鏈接腳本中添加新的段區定義(．sramcode)，指定該段區鏈接加載地址為處理器片內SRAM，并在．sramcode段區內定義代碼段(．sramtext)和數據段(．sramdata)，分別用于存儲驅動中的代碼和數據。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行周期，提高執行效率。然后，使用2個指針_lsramcode和_lsramcodeend分別指向，sramcode段區的段首和段尾，具體實現如下：

　　完成對操作系統鏈接文件的修改之后，使用宏定義在音頻驅動程序中把相關函數和數據分別指定鏈接到，sramcode代碼段和數據段，并由copy函數把相關函數復制到SRAM中執行。編譯、鏈接完成后，可以在系統內核存儲映射文件Sys-tem．map中查看驅動函數和數據在內存中的地址。圖3顯示了音頻驅動函數在處理器片內SRAM中的映射地址。

　3．3 配置實時數據和函數到片內SRAM中執行

　　把用戶空間的實時數據和函數放置到片內SRAM中執行，由于處理器可以直接從片內SRAM中存取數據和指令，減少了處理器存取數據和指令的周期，提高了程序的執行效率。首先，放置實時數據到處理器片內SRAM中。通過S_malloc和S_free函數來實現：S_malloc用來申請處理器內存空間，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，需要定義一個結構體和地址指針：

　　然后，通過動態內存分配方式可以把MP3解碼程序中的實時數據放入處理器內存中執行。加載函數到SRAM中與加載實時數據不同，需要通過指針和枚舉變量來實現。首先通過一個宏定義設置每個函數大小為4 KB，并使用枚舉變量為函數分配處理器片內SRAM執行的起始地址。

　　SRAMFUNC2=SRAM_BIG_FUNC1+BIG_FUNC_SIZE，…}；

　　在定義完函數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等函數通過字符串拷貝的方式復制到處理器片內SRAM中執行，經過編譯、鏈接這些函數在執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行解碼函數所需的時間，提高了程序的執行效率。

　　4 性能測試與分析

　　為了驗證基于處理器片內SRAM的優化設計方案，我們在MCF5329EVB開發板上對經該方案優化過的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，經過本方案優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SRAM的應用程序優化方案是可行的。

　　其次，進行性能測試。在測試平臺上分別對優化前后解碼器的MIPS消耗數和空間消耗量進行比較分析，如表2所列。

　　優化前，解碼器MIPS消耗數為68 MIPS@240MHz；優化后，解碼器MIPS消耗數為39．2 MIPS@240 MHz。在硬件條件允許的情況下，消耗的內存雖然有一定的增加，但是經過本文方案優化后，解碼效率得到了很大的提高。

　　結 語

　　本文提出了在嵌入式Linux操作系統下基于處理器片內SRAM的應用程序優化設計方案。以MP3解碼器為例，通過從配置音頻驅動程序、實時數據和函數到處理器片內SRAM中執行來對解碼器進行優化設計，并在ColdFire5329開發平臺上成功實現該方案。優化后的MP3播放器不僅解碼效率高，而且音質好，完全可以在中低端處理器上實現實時播放，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行效率，降低了功耗，對嵌入式Linux應用產品開發有著重要參考價值。