基于m ini2440开发板的多媒体播放器优化设计

赵羽佳，罗红杰，吕 强

(武汉轻工大学电气与电子工程学院，湖北武汉430023)

WMA和MP3格式作为国内知名的音频压缩格式，以其良好的特性在很多领域得到了广泛的应用。由于WMA算法没有公开，除了微软公司提供解码程序外，FFmpeg项目组用逆向工程的方法开发出了WMA解码，Mplayer用的就是这个解码，但是将该解码程序移植到mini2440开发板后，解码效果不理想。mini2440开发板采用专业稳定的CPU内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性［1］。它是一款真正低价实用的ARM9开发板，性价比高，采用Samsung S3C2440为微处理器。下面就以mini2440为开发板，对Mplayer中的WMA解码程序进行优化。

1 构建嵌入式Linux开发框架

优化设计的多媒体播放器是基于嵌入式Linux而设计的，嵌入式linux是裁剪修改版的linux操作系统，它由一个Kernel(内核)以及一些根据需要而定制的系统模块组成，Kernel一般只有几百kB，即便加上其它必须的应用程序和模块，所需的存储空间也很小［2］。具有多线程、多任务、源码开放等优点。

开发嵌入式Linux的运行环境是开发板，开发环境是宿主机。宿主机(Host)是一台通用计算机，它通过以太网接口或者串口与目标机通信［3］。宿主机的软硬件资源比较丰富，能够大大提高嵌入式应用软件的开发速度和效率。目标板(Target)是应用程序实际运行的平台，或者是能够替代实际运行环境的仿真系统。软硬件资源通常都比较有限［4］。本文的宿主机采用Windows 7操作系统并安装了VMware虚拟机、目标板是mini2440开发板，并采用串口通信进行开发。

1.1 开发、运行环境

Linux内核:Red Hat4.5.1-4。编译工具:gcc4.5.1。交叉编译工具:arm-linux-gcc3.4.1。

硬件平台:普通 PC机。运行环境:arm-linuxgcc(版本:4.5.1)。图形用户界面平台:Qt/Embedded 2.3.7。硬件平台:mini2440 开发板。

1.2 linux环境下播放器的设计及向开发板移植

1.2.1 引导加载程序

在PC机中系统加电时运行的第一段代码就是引导加载程序，PC机中的引导加载程序由BIOS和OS Loader组成，PC机中的BIOS主要任务是初始化电脑设备，它将第一个检索到的硬盘上MBR中的内容读到系统RAM中，接着由OS Loader来完成第二级引导加载操作［5］。由OS Loader负责将所要引导的操作系统的内核映象从硬盘上读到系统RAM中，然后跳转到内核的入口点上。但是在Linux嵌入式系统中，一般没有BIOS程序，因而将由Boot-Loader来完成系统的加载过程。

1.2.2 交叉编译开发环境建立

交叉编译就是一台机器中执行的程序不是在本机器编译生成，而是由另一台的机器编译生成。一般把前者称为目标机，后者称为宿主机［6］。在嵌入式系统中，开发板就是目标机，而PC机就是宿主机。在PC机上编译好可以在开发板上运行的程序后，通过串口线或网线将程序下载到开发板，然后通过PC机上的超级终端来控制开发板中程序的运行。交叉编译开发模型如图1所示。

图1 交叉编译开发模型

嵌入式交叉编译环境的建立过程如下。

1)下载预先编译好的交叉开发环境到根目录下。

2)执行如下命令安装:tar xzvf arm-linux-gcc-4.3.2.tar.gz-C。

3)生成的编译工具在目录/user/local/arm/4.3.2/bin下。

4)添加环境变量:进入/etc/profile，添加export PATH=/user/local/arm/4.3.2/bin:$PATH。

5)验证编译环境是否建立成功:输入命令#armlinux-gcc-v，如果看到版本信息，表示建立成功。

1.3 M player的移植

下载 MPlayer-1.0rc2.tar.bz2 和 libmad-0.15.1b.tar.gz文件，通过 configure配置完成后，执行make命令完成编译。这里注意，MPlayer 1.0已经把大部分解码库都自带了，但是自带的音频库在S32440下效果非常不好，换成使用libmad效果不错［7］。在配置信息中要加上--disable-mp3lib不配置mp3lib。

2 WMA优化

虽然MPlayer提供了WMA解码程序，但MPlayer提供的WMA解码程序运算量大，移植到本硬件平台后，解码效率不能满足设计要求。因此需要对MPlayer中的WMA开源解码程序进行优化设计，从而使WMA解码程序在2440中的解码效率得到提高。本文选用浮点转定点的方法和快速除法进行WMA解码器的优化。

2.1 浮点运算转定点运算

S3C2440不具有浮点运算单元(FPU)，在实现浮点运算时需要用软件模拟的方法来实现，然而WMA的解码过程需要大量的浮点运算［8］。浮点运算存储格式特殊，在进行浮点运算的时候要用到复杂的操作，这种方式效率不高，运算量大。然而定点运算就相对简单一些，本文的优化方法之一就是浮点转定点运算。

2.1.1 浮点转定点分析

在计算机内部表示小数时，小数的小数点位置是可变的。而对于定点数而言，小数点的位置就是固定的。如C语言中float类型的数就是浮点数。基于IEEE754的浮点数包括3种:单精度浮点数、双精度浮点数和扩展精度浮点数，本文只讨论前两者。单精度浮点数在计算机中占4个字节，用32位二进制描述，其中符号位S占1个位、指数位E占8位、尾数位M占23位，如图2所示。

图2 单精度存储格式

双精度浮点数在计算机中占8个字节，用64位二进制描述，同样包含3个构成字段，其中符号位S占1位、指数位E占11位、尾数位M占52位。对其进行重新编号。其中0—51位代表52位尾数，52—62位代表11位的指数，最高位代表符号。

通过内联函数或宏定义来实现浮点转定点运算，一般情况下转换后的定点数为int型，有32位，低16位为尾数部分，高16位为整数部分。如果两个定点数都带有16位尾数，那么这两个定点数相乘，结果会带有32位尾数，这时需要将结果右移16位。如果浮点数转定点数时超过了定点数的取值范围时，将不进行转换。如果没有超过定点数的范围则进行转换，如图3所示。

图3 32位定点数相乘过程处理

2.1.2 用定点运算优化解码函数

在具体优化的过程中，首先要对程序的工作流程进行分析。找出解码过程中耗时最长的程序段进行优化，直到解码时间低于某个值为止。MPlayer解码WMA文件是通过调用FFMPEG的开源编解码库libaVcodec来实现的。MPlayer主程序调用WMA解码函数过程如图4所示。

图4 WMA主要解码函数及其关系

通过调试代码，发现在解码每帧时，函数wma_decode_block()都会被循环调用多次，并且每次调用的耗时都很长，所以这个函数就是我们最先要优化的代码［9］。测量解码时间需要在mplayer的主函数main.c中设置一个打印函数对其进行时间测试，发现函数fft_calc(＆s→fft，z)耗时最长，进而读这个函数的实现代码发现，z是个浮点数，且在计算中有大量涉及浮点计算的循环，这样浮点转定点的优化方法就有了用武之地了。把z先转化为定点数再传给fft_calc(＆s→ fft，z)函数，结果运算速度果然明显提高了。如表1所示，这里采用4个音频文件，file1.wma、file2.wma 是比特率为 48 kbps，采样率为44 kHz，长度为 20 s的 WMA 文件。file3.wma、file4.wma 是比特率为 48 kbps，采样率为 44 kHz，长度为20 s的WMA文件。

表1 优化前后解码耗时对比

WMA解码器经过优化后，计算速度提高了43.78%，在S3C2440上解码音频文件基本上达到实时播放的要求。

3 结束语

采用浮点运算转定点运算来优化解码函数，其中浮点转定点是优化的关键，优化过程中选择解码过程中耗时最长的程序段进行优化。交叉编译环境的建立和mplayer的移植也很重要。通过优化解码，解码速度提高了43.78%，使嵌入式开发板也能较好地播放WMA文件。

［1］毛德操，胡希明.嵌入式系统:采用公开源代码和StrongARM/XScale处理器［M］.浙江:浙江大学出版社，2003:45-48.

［2］王正万.嵌入式Linux下基于ARM9的媒体播放的设计［J］.电子设计工程，2010(12):135-137.

［3］马龙华，彭哲.基于Scilab的ARM.Linux嵌入式计算及应用［M］.北京:科学出版社，2008:44-52.

［4］Andrew N Sloss，Dominic Symes，Chris Wirght.ARM嵌入式系统开发.软件设计与优化［M］.沈建华译.北京:北京航空航天大学出版社，2005:14-37.

［5］Diomidis Spinellis.代码阅读方法与实践［M］.赵学良译.北京:清华大学出版社，2004.

［6］李凡.Qt/Embedded在嵌入式Linux系统下的移植与应用［J］.黑龙江科技信息，2008，27:79-80.

［7］Srinvas M，Patnaik L M.Adaptive probability of crossover and mutation in genetic algorithms［J］.IEEE Trans on SMC，1994，24(4):656-667.

［8］段玉倩，贺家李.遗传算法及其改进［J］.电力系统及其自动化学报，1998，10(1):39-52.

［9］MPlayer.The online documentation of MPlayer［EB/OL］.(2008-04-01)http://www.mplayerhq.hu/DOCS/HTML-single/en/MPlayer.thml.