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。

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。

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。

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。

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。

//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