基于libmad的MP3解码播放器

      libmad：是一个开源的高精度mpeg音频解码库，支持 MPEG-1（Layer I, Layer II 和 LayerIII（也就是 MP3）。LIBMAD 提供 24-bit 的 PCM 输出，完全是定点计算，非常适合没有浮点支持的平台上使用。使用 libmad 提供的一系列 API，就可以非常简单地实现 MP3 数据解码工作。在 libmad 的源代码文件目录下的 mad.h 文件中，可以看到绝大部分该库的数据结构和 API 等。

     PCM编码：即为脉冲代码调制编码。
PCM通过抽样，量化，编码三个步骤将连续的模拟信号转换成数字编码。

libmad中的主要数据结构：

主要数据结构	作用
struct mad_stream	存放解码前的Bitstream数据
struct mad_synth	存放解码合成滤波后的PCM数据
struct mad_pcm	定义了音频的采样率，声道个数和PCM采样数据,用来初始化音频
struct mad_frame	记录MPEG帧解码后PCM数据的数据结构，其中的mad_header用来记录MPEG帧的基本信息，比如MPEG层数、声道模式、流比特率、采样比特率。声道模式包括单声道、双声道、联合立体混音道以及一般立体声。

      MAD通过回调函数机制来实现解码，每个回调函数会返回一个枚举类型mad_flow,通过mad_flow可以控制解码的过程。在未经处理的情况下，MAD一般输出32bit，以little endian格式存放在mad_fixed_t中的数据。但是大多数的声卡并能支持输出高达32bit精度的数据，因而还必须对mad_fixed_t进行量化，圆滑处理以及抖动，使到采样信号降到16bit精度。MAD负责的只是解码的过程，它工作过程是：从外部获取输入，逐帧解码，在解码的过程中返回信息，然后得到解码结果。开发人员要手动设置输入输出。

在libmad中提供了一个解码源程序minimad.c，实现了将MP3文件解码成pcm数据，并将其数据显示在终端上。

     现在就以该源码程序为例，来写出我们自己的基于libmad的MP3播放器。
在我们打开我们的音频程序之时同时也打开我们的音频设备"/dev/dsp"。

 

static int sfd;
if((sfd = open("/dev/dsp", O_WRONLY)) < 0)
{
    printf("can not open device!!!/n");
    return 1;
}

    一般来说，我们的MP3文件都是立体音，有2个声道，由于要把pcm采样后并处理的数据放入一个char型的数组，而并行的左右声道的每个采样要在字符数组中处理成2个，所以字符数组中的数据的个数应该是pcm音频采样数的4倍。又因为把左右声道的数据合在一个字符数组里串行处理，所以播放的速度应该是pcm音频采样率的两倍。

static
enum mad_flow output(void *data,
             struct mad_header const *header, struct mad_pcm *pcm)
{
    unsigned int nchannels, nsamples, n;
    mad_fixed_t const *left_ch, *right_ch;
    unsigned char Output[6912], *OutputPtr;
    int fmt, wrote, speed;

    nchannels = pcm->channels;
    n = nsamples = pcm->length;
    left_ch = pcm->samples[0];
    right_ch = pcm->samples[1];

    fmt = AFMT_S16_LE;
    speed = pcm->samplerate * 2;    /*播放速度是采样率的两倍 */
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_SPEED, &(speed));
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_SETFMT, &fmt);
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_CHANNELS, &(pcm->channels));
    OutputPtr = Output;
    while (nsamples--) {
    signed int sample;
    sample = scale(*left_ch++);
    *(OutputPtr++) = sample >> 0;
    *(OutputPtr++) = sample >> 8;
    if (nchannels == 2) {
        sample = scale(*right_ch++);
        *(OutputPtr++) = sample >> 0;
        *(OutputPtr++) = sample >> 8;
    }
    }
    n *= 4;         /*数据长度为pcm音频采样的4倍 */
    OutputPtr = Output;
    while (n) {
    wrote = write(sfd, OutputPtr, n);
    OutputPtr += wrote;
    n -= wrote;
    }
    OutputPtr = Output;
    return MAD_FLOW_CONTINUE;
}

下面就以一个简单的实例来说明问题：

 

# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
# include <unistd.h>
# include <sys/stat.h>
# include <sys/mman.h>
# include <sys/soundcard.h>
# include <sys/ioctl.h>
# include <sys/fcntl.h>
# include <sys/types.h>
# include <mad.h>
struct buffer {
    unsigned char const *start;
    unsigned long length;
};
static int sfd;         /*声音设备的描述符 */
static int decode(unsigned char const *, unsigned long);
int main(int argc, char *argv[])
{
    struct stat stat;
    void *fdm;
    char const *file;
    int fd;
    file = argv[1];
    fd = open(file, O_RDONLY);
    if ((sfd = open("/dev/dsp", O_WRONLY)) < 0) {
    printf("can not open device!!!/n");
    return 5;
    }
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_SYNC, 0); /*此句可以不要 */
    if (fstat(fd, &stat) == -1 || stat.st_size == 0)
    return 2;
    fdm = mmap(0, stat.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (fdm == MAP_FAILED)
    return 3;
    decode(fdm, stat.st_size);
    if (munmap(fdm, stat.st_size) == -1)
    return 4;
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_RESET, 0);
    close(sfd);
    return 0;
}
static
enum mad_flow input(void *data, struct mad_stream *stream)
{
    struct buffer *buffer = data;
    if (!buffer->length)
    return MAD_FLOW_STOP;
    mad_stream_buffer(stream, buffer->start, buffer->length);
    buffer->length = 0;
    return MAD_FLOW_CONTINUE;
}
/*这一段是处理采样后的pcm音频 */
static inline signed int scale(mad_fixed_t sample)
{
    sample += (1L << (MAD_F_FRACBITS - 16));
    if (sample >= MAD_F_ONE)
    sample = MAD_F_ONE - 1;
    else if (sample < -MAD_F_ONE)
    sample = -MAD_F_ONE;
    return sample >> (MAD_F_FRACBITS + 1 - 16);
}
static
enum mad_flow output(void *data,
             struct mad_header const *header, struct mad_pcm *pcm)
{
    unsigned int nchannels, nsamples, n;
    mad_fixed_t const *left_ch, *right_ch;
    unsigned char Output[6912], *OutputPtr;
    int fmt, wrote, speed;

    nchannels = pcm->channels;
    n = nsamples = pcm->length;
    left_ch = pcm->samples[0];
    right_ch = pcm->samples[1];

    fmt = AFMT_S16_LE;
    speed = pcm->samplerate * 2;    /*播放速度是采样率的两倍 */
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_SPEED, &(speed));
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_SETFMT, &fmt);
    ioctl(sfd, SNDCTL_DSP_CHANNELS, &(pcm->channels));
    OutputPtr = Output;
    while (nsamples--) {
    signed int sample;
    sample = scale(*left_ch++);
    *(OutputPtr++) = sample >> 0;
    *(OutputPtr++) = sample >> 8;
    if (nchannels == 2) {
        sample = scale(*right_ch++);
        *(OutputPtr++) = sample >> 0;
        *(OutputPtr++) = sample >> 8;
    }
    }
    n *= 4;         /*数据长度为pcm音频采样的4倍 */
    OutputPtr = Output;
    while (n) {
    wrote = write(sfd, OutputPtr, n);
    OutputPtr += wrote;
    n -= wrote;
    }
    OutputPtr = Output;
    return MAD_FLOW_CONTINUE;
}

static
enum mad_flow error(void *data,
            struct mad_stream *stream, struct mad_frame *frame)
{
    return MAD_FLOW_CONTINUE;
}

static
int decode(unsigned char const *start, unsigned long length)
{
    struct buffer buffer;
    struct mad_decoder decoder;
    int result;
    buffer.start = start;
    buffer.length = length;
    mad_decoder_init(&decoder, &buffer, input, 0, 0, output, error, 0);
    mad_decoder_options(&decoder, 0);
    result = mad_decoder_run(&decoder, MAD_DECODER_MODE_SYNC);
    mad_decoder_finish(&decoder);
    return result;
}