07_FLAC无损音频播放 - LPC5411x 开发笔记

无损音频不存在音频损失的问题，可以获取到原始PCM采样数据，代表数字音频最高的保真水准。随着储存设备容量的增大，网络传输带宽的提升，无损音频越来越受到人们的追捧。

1. FLAC概述

常用的无损音频格式有WAV、FLAC、APE等等。WAV格式直接保存原始的PCM数据，造成容量过大，不方便使用。FLAC和APE为无损音频压缩格式，通过压缩算法重新对PCM数据进行编码，减小容量，同时可以通过可逆的算法解压还原成PCM数据。在众多的无损音频压缩格式中，FLAC被认为是最具潜力的一种无损音频压缩格式。

FLAC(FreeLossless Audio Codec)是一套自由的音频压缩编解码器，不同于其它有损音频压缩格式，FLAC格式不会破坏任何原有的音频资讯。这种压缩类似于ZIP的方式，但FLAC是专门针对PCM音频特点设计的压缩格式，其压缩率要大于ZIP方式。FLAC是一种非专有的，不受专利影响，开放源码，并且完全免费的无损音频压缩格式，它的编码算法相当成熟，已经通过了严格的测试，被很多软件以及硬件音频产品所支持，如支持大多数的操作系统，包括Windows、Unix类系统、Mac等等，应用在移动多媒体播放器、汽车音响、家用音响等等设备。

2、FLAC库移植

FLAC编解码复杂度比较低，对计算要求不高，在普通的硬件平台就可以轻松实现实时解码播放，因此可以在LPC5411x开发平台上实现FLAC音频的播放。FLAC有专门的项目组维护，可以在 https://xiph.org/flac 下载完整的FLAC编解码源码，对于C开发环境，其对应的库为libFLAC。libFLAC包含了操作系统相关的数据结构，并且对于cortex-m平台来说，功能过于臃肿，需要对该库做较大的改动才能完成移植，并不是最适合的。

此处采用rockbox嵌入式项目中的FLAC解码库，减少移植的工作量。rockbox是一个免费的数字音频播放器框架，支持众多的音频编解码器。其采用的FLAC解码库移植于libffmpeg，与FLAC解码相关的源码有：

bitstream.c/bitstream.h，获取位流源码实现。

decoder.c/decoder.h，FLAC解码实现。

arm.S/arm.h，针对cortex-m，MDK下修改的LPC解码arm汇编实现，非必须文件，用于优化Level 8的解码速度。在decoder.c中取消定义CPU_ARM宏则取消arm汇编的优化实现。

golomb.h和tables.c为编码头文件和常数表实现。

把该库源码加入LPC5411x工程编译即可。

3、FLAC播放

FLAC音频的播放涉及到音频驱动、SD卡读写文件的实现，可以参考前面的章节。播放实现主要流程如下：

a. 用Flac_ParceMetadata()函数打开FLAC音频文件并解析FLAC头，获取采样位数、采样频率、声道数等等音频格式。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
static int Flac_ParceMetadata(constTCHAR filePath[], FLACContext* context)

{
UINT s1 = 0;

FIL FLACfile;

int metaDataFlag = 1;

char metaDataChunk[128];      

unsigned long metaDataBlockLength = 0;

char* tagContents;



if(f_open(&FLACfile, filePath,FA_READ) != FR_OK) {
       PRINTF("Couldnot open: %s\r\n", filePath);

       return1;

}

f_read(&FLACfile, metaDataChunk, 4,&s1);

if(s1 != 4) {
       PRINTF("Readfailure\r\n");

       f_close(&FLACfile);

       return1;

}



if(memcmp(metaDataChunk,"fLaC", 4) != 0) {
       PRINTF("Nota FLAC file\r\n");

       f_close(&FLACfile);

       return1;

}



// Now we are at the stream block

// Each block has metadata header of 4bytes

do {
f_read(&FLACfile, metaDataChunk, 4,&s1);

if(s1 != 4) {
       PRINTF("Readfailure\r\n");

       f_close(&FLACfile);

       return1;

}



//Check if last chunk

if(metaDataChunk[0] & 0x80)metaDataFlag = 0;

metaDataBlockLength = (metaDataChunk[1]<< 16) | (metaDataChunk[2] << 8)

| metaDataChunk[3];

//STREAMINFO block

if((metaDataChunk[0] & 0x7F) == 0) {
       if(metaDataBlockLength> 128) {
              PRINTF("Metadatabuffer too small\r\n");

              f_close(&FLACfile);

              return1;

       }



       f_read(&FLACfile,metaDataChunk, metaDataBlockLength, &s1);

       if(s1!= metaDataBlockLength) {
              PRINTF("Readfailure\r\n");

              f_close(&FLACfile);

              return1;

       }

       /*

       <bits>Field in STEAMINFO

       <16>min block size (samples)

       <16>max block size (samples)

       <24>min frams size (bytes)

       <24>max frams size (bytes)

       <20>Sample rate (Hz)

       <3>(number of channels)-1

       <5>(bits per sample)-1.

       <36>Total samples in stream.

       <128>MD5 signature of the unencoded audio data.

       */

       context->min_blocksize= (metaDataChunk[0] << 8) | metaDataChunk[1];

       context->max_blocksize= (metaDataChunk[2] << 8) | metaDataChunk[3];

       context->min_framesize= (metaDataChunk[4] << 16) |

(metaDataChunk[5] << 8) | metaDataChunk[6];

       context->max_framesize= (metaDataChunk[7] << 16) |

 (metaDataChunk[8] << 8)| metaDataChunk[9];

       context->samplerate= (metaDataChunk[10] << 12) |

(metaDataChunk[11] << 4) | ((metaDataChunk[12] & 0xf0)>> 4);

       context->channels= ((metaDataChunk[12] & 0x0e) >> 1) + 1;

       context->bps= (((metaDataChunk[12] & 0x01) << 4) |

 ((metaDataChunk[13] &0xf0)>>4) ) + 1;              

       //Thisfield in FLAC context is limited to 32-bits

       context->totalsamples= (metaDataChunk[14] << 24) | (metaDataChunk[15] << 16) |

 (metaDataChunk[16] <<8) | metaDataChunk[17];

} else {  

       if(f_lseek(&FLACfile,FLACfile.fptr + metaDataBlockLength) != FR_OK) {
              PRINTF("FileSeek Failed\r\n");

              f_close(&FLACfile);

              return1;

       }

}

} while(metaDataFlag);



// track length in ms

context->length =(context->totalsamples / context->samplerate) * 1000;

// file size in bytes

context->filesize =f_size(&FLACfile);

// current offset is end of metadata inbytes

context->metadatalength =FLACfile.fptr;

// bitrate of file    

context->bitrate =((context->filesize - context->metadatalength) * 8) / context->length;

f_close(&FLACfile);

return 0;      

}

b. 根据解析的音频格式，对I2S音频驱动初始化。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
PRINTF("Playing %s\r\n",filePath);

PRINTF("Mode: %s\r\n",context.channels==1?"Mono":"Stereo");

PRINTF("Samplerate: %d Hz\r\n",context.samplerate);

PRINTF("SampleBits: %dbit\r\n", context.bps);

PRINTF("Samples: %d\r\n",context.totalsamples);

I2S_SetSamplerate(context.samplerate);

I2S_TxStart();

c. 调用flac_decode_frame()从fileChunk缓存区读取一块的码流数据进行解码，解码出来的左声道数据放在decodedSamplesLeft缓存区，右声道数据放在decodedSamplesRight缓存区。

1
2
3
4
5
6
7
8
if (flac_decode_frame(&context,decodedSamplesLeft, decodedSamplesRight,

fileChunk,bytesLeft, yield) < 0) {
       PRINTF("FLACDecode Failed\r\n");

       break;

}

d. 解码的左右声道数据填充到音频输出缓存，进行播放。解码一块产生context.blocksize个音频数据，一个一个填充到音频输出缓存，如果输出缓存满，则等待播放完一帧后，继续填充。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
i = 0;

while (i < context.blocksize) {
       //LeftChannel

       samplePair[0]= (uint16_t) (decodedSamplesLeft[i]>>sampleShift);

       if(context.channels==2) {
       //RightChannel

              samplePair[1]= (uint16_t) (decodedSamplesRight[i]>>sampleShift);

       }else {
              //RepeatLeft channel if mono

              samplePair[1]= (uint16_t) (decodedSamplesLeft[i]>>sampleShift);

       }



       while(WriteIndex == I2SState.TxReadIndex) {


       }

       //Samplepair is 4 bytes, 16-bit mode

       if(WriteIndex != I2SState.TxReadIndex) {
              I2SState.TxBuffer[I2SState.TxWriteIndex][Index]=

 (samplePair[0]&0xffff) |(samplePair[1]<<16);

              Index++;

              if(Index >= AUDIO_FRAME_SIZE) {
                     Index= 0;

                     I2SState.TxWriteIndex= WriteIndex;

                     if(WriteIndex >= AUDIO_NUM_BUFFERS-1) {
                            WriteIndex= 0;

                     }else {
                            WriteIndex++;

                     }

              }

       }

       i++;

}

e. 从SD卡读取下一块码流数据到fileChunk缓存区，跳到步骤c，如此循环解码、填充音频输出流、读取码流数据这些过程，直至文件结束，解码完毕。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
//calculate the number of valid bytesleft in the fileChunk buffer

bytesUsed = context.gb.index/8;

bytesLeft -= bytesUsed;

//shift the unused stuff to the front ofthe fileChunk buffer

memmove(fileChunk,&fileChunk[bytesUsed], bytesLeft);

//Refill the fileChunk buffer

f_read(&FLACfile,&fileChunk[bytesLeft], MAX_FRAMESIZE - bytesLeft, &s1);

//add however many were read

bytesLeft += s1;

播放<<天空之城>>主题曲sky city.flac如下：

07_FLAC无损音频播放 - 图1

4. 附录

MDK工程，包含SD卡文件读写代码，I2S播放驱动，FLAC无损音频文件解码播放的实现，FLAC音频文件sky city.flac。

https://pan.baidu.com/s/1boEFZ6R