1 引言

　　近幾年，MP3音頻產品受到消費者的青睞，而高質量的音效是當前MP3音頻產品發展的重要趨勢。MP3文件解碼一般采用軟件解碼和硬件解碼兩種方法。硬件解碼實現簡單，但需增加硬件成本。軟件解碼需占用大量CPU時間，實現難度大，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文件播放系統硬件和軟件設計，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開源實時操作系統的MP3解碼原理，播放函數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，它是一套完整的基于感知的音頻編碼算法。這一算法應用了心理聲學模型可達到1：12的壓縮比率。心理聲模型應用于人耳特性，最大限度保持原始聲音質量。MPEG-1 Audio編碼對象是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)，從而達到既壓縮聲音數據又盡可能保持聲音原有質量的目的。SBC編碼對象不局限于話音數據和某一種聲源。具體思想是：首先把時域中的聲音數據變換到頻域，對頻域內的子帶分量分別量化和編碼，根據心理聲學模型確定樣本精度，從而達到壓縮數據量的目的。子帶編碼的理論根據是聽覺系統的掩蔽特性，主要是利用頻域掩蔽特性，編碼過程中保留信號帶寬，但是卻扔掉被掩蔽的信號，因此編碼后還原(解碼、重構)的聲音信號與編碼前的聲音信號不相同，但人的聽覺系統很難分辨出它們的差別。因此，對于聽覺系統，這種壓縮是"無損壓縮"。

　　當打開MP3文件后，播放器首先試圖對幀進行同步，然后分別讀取通道息及增益因子等數據，再進行霍夫曼解碼，至此已獲得解壓數據。但這些數據不能播放，它們仍處于頻域，若要播放，還需將其通過特定手段由頻域變換到時域。然后再分別進行立體化處琿、抗鋸齒處理、IMDCT變換、IDCT變換及窗口化滑動處理。這樣得到的數據就可進行D／A轉換并播放。

　　MP3歌曲的解碼是一個非常復雜的過程，可通過Start_mp3_decode()解碼函數完成。另外，還需給解碼函數進行供給數據、針對音頻接口的初始化、針對播放過程的初始化等操作。

　　3 系統硬件設計

　　3.1 系統結構分析

　　本系統以EP9315為核心，包括Philips公司的UDA1341型立體聲音頻編解碼器、SDRAM、Flash存儲器。處理器通過IIS接口控制音頻數據在系統內存(SDRAM)與UDA1341之間傳輸。通過L3控制端口實現UDA1341的配置和控制，本設計系統MP3采用USB Host結構，使用時需插U盤。系統結構圖如圖1所示。

　　3.2 音頻解碼器接口部分

　　IIS(inter-IC Sound)總線是Philips公司提出的串行數字音頻總線協議。它是一種面向多媒體的音頻總線專用于音頻設備之間的數據傳輸，為數字立體聲提供序列的連接至標準編解碼器。IIS總線只處理聲音數據，其他信號(如控制信號)必須單獨傳輸。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復用功能的數據線、字段選擇線和時鐘信號線。

　　整個音頻系統的硬件設計主要是CPU與編解碼器的連接。本系統采用Philips公司的基于IIS音頻總線UDA1341型音頻編解碼器。UDA1341支持IIS總線數據格式，采用位元流轉換技術進行信號處理，具有可編程增益放大器(PGA)和數字自動增益控制器(AGC)。UDA1341對外提供兩組音頻信號輸入接口，每組包括左右2個聲道。由于IIS總線只處理音頻數據，因此UDA1341還內置用于傳輸控制信號的L3總線接口。L3接口相當于混音器控制接口，可以控制輸入／輸出音頻信號的低音及音量大小等。L3接口接至EP9315的3個通用GPIO輸入輸出引腳。EP9315內置多達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個發送通道和3個接收通道。EP9315支持12個獨立的DMA通道，其中10個通道是用于外圍模塊與存儲器之間的數據傳輸，另外2個通道是專用于存儲器之間的數據傳輸。 如圖2所示，器件EP9315的IIS總線信號與UDA1341的IIS信號直接相連接。L3接口的引腳L3MODE、L3CLOCK和L3DATA分別與EP9315的EGPI012、EGPIO11和EGPIO10通用數據輸出引腳相連，利用這3個I／O端口模擬L3總線的全部時序和協議實現控制。

　　4 軟件設計

　　4.1 嵌入式實時操作系統μC／OS-II

　　對大多數移動設備而言，采用公開源代碼的操作系統μC／OS-II是最好的選擇。μC／OS-II是一個完整、可移植、可固化及可裁減占先實時多任務內核。μC／OS-II大致分為內核、任務管理、時間管理、任務同步與通信、與CPU的接口等5部分，其中任務管理部分與任務操作密切相關，包括任務建立、刪除、掛起、恢復等。任務同步與通信部分包括信號郵箱、郵箱隊列和時間標志等部分，主要用于任務間的相互聯系和對臨界資源的訪問。

　　4.2 μC／OS-II內核的多任務管理

　　μC／OS-II除了具有良好的穩定性和安全性外，主要是對多任務的管理，可以管理多達64個任務。除了8個白用任務外，用戶的應用程序最多可達56個任務。

　　在多任務系統中，內核負責管理各個任務，并且負責任務之間的通信。內核提高的基本服務是任務切換，由實時內核管理。一個任務有5種狀態，在任意給定時刻，任務狀態一定是這5種狀態之一：休眠、就緒、運行、掛起(等待某事件發生)和被中斷。

　　μC／OS-II總是進入就緒狀態任務中優先級最高的那一個。通過任務級的調度函數OSSched()或者中斷級的調度函數OSIntExt()在任務就緒列表OSRdyTb()中查找。在確定優先級最高的就緒態任務后，如果有更高優先級的任務要運行，調用OS_TASK_SW()完成實際的任務切換。