基于μClinux的IP電話

基于μClinux的IP電話
復旦大學
參賽隊員：邱衛東、諶勇輝、盧德良
指導老師：彭澄廉
一、系統概述
IP是國際互聯網協議(Internet Protocol)的簡稱，IP 電話是按照國際互聯網協議規定的網絡技術開通的電話業務，它通過發送IP包來傳輸話音業務，其基本原理是：通過語音壓縮算法對話音進行壓縮編碼處理，然后把這些語音數據按IP等相關協議進行打包，經過IP網絡把數據包傳輸到目的地，再把這些語音數據包連接起來，經過解碼、解壓縮處理后，恢復成原來的語音信號，從而達到由IP網絡傳送話音的目的。
Internet話音業務正在獲得飛速發展，其主要原因有以下兩點：首先是價格低廉，相同的通話時間，通過Internet話音服務的費用僅僅為通過傳統話音服務費用的幾分之一，甚至幾十分之一；其次，隨著技術的發展，IP電話的話音質量有了很大的提高，克服了以往話音質量低劣、延遲長、經常掉線等缺陷。
目前專家普遍認為VoIP將代表電話技術未來的發展方向，甚至有這樣的一句話：everything is over IP(一切都將基于IP)。許多人相信IP電話時代即將到來，Frost & Sullivan調研公司的報告中預計，到2007年VoIP的通話量將占全部通話量的75%，甚至更高一些。
Nios CPU 是一種采用流水線技術、單指令流的RISC處理器，又是一種軟核CPU，專門針對可編程邏輯器件進行了優化，因此是一種可配置的通用RISC處理器，可以與用戶自定義邏輯結合，構成完整、功能強大的SOC系統，在嵌入式系統的設計中已成為趨勢。
嵌入式操作系統是嵌入式系統的靈魂，可以顯著提高軟件開發效率和進行軟件復用。針對當前日益復雜的嵌入式系統開發，應用操作系統是保證產品面市時間的關鍵。嵌入式μClinux操作系統是一種性能優良、源碼公開且被廣泛應用的的免費嵌入式操作系統，具有高度靈活的可定制內核。
目前尚無Nios CPU的免費移植版本，為了完成參賽作品，我們自行移植了μClinux操作系統的Nios CPU版本，繼而在μClinux操作系統上完成了IP電話的設計開發。

二、功能說明
基于μClinux的IP電話分為服務端(接受方)和客戶端(呼叫方)。發起通話請求的一端稱為客戶端，另一端則為服務端。根據不同應用場景，服務端和客戶端可以調換角色，也就是說，任意一端都可以發起通話請求。
客戶端發起通話請求，輸入服務端IP地址，兩端通過網絡連接成功后，利用麥克風和聽筒，就可以進行通話了。
本作品的實現分為硬件和軟件兩個部分。
硬件部分進行A/D、D/A板的開發設計，以實現電話語音的數/模和模/數轉換功能。采用AD7811、AD7305等芯片，實現了A/D，D/A的控制時序邏輯以及采樣率的設置等功能。
軟件實現主要包含以下四個步驟：
第一，將嵌入式操作系統μClinux移植到Nios處理器上。
第二，移植μClinux下的smc lan9111c1網卡驅動程序，實現IP連接。
第三，開發μClinux下語音板(自行開發設計)的驅動程序。
第四開發μClinux下的應用程序，實現IP電話功能，分別為服務端和客戶端應用程序，提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
三、性能參數
語音板AD7811采用的是Analog公司的一款A/D轉換器，它具有如下一些關鍵特性：
* 4個模擬輸入通道；
* 1個數字輸出通道；
* 分辨率為10位；
* 串行接口；
* 2.5 V內部參考電壓；
* 外部參考電壓范圍為1.2 V_VDD；
* 模擬輸入范圍為0_Vref；
* 可通過控制寄存器進行軟件控制；
* 電源供電范圍為2.7_5 V。
在本系統中用到2個模擬輸入通道，分辨率采用10位中的8位。
AD7305是Analog公司的一款D/A轉換器，它具有如下一些關鍵特性：
* 4個模擬輸出通道；
* 8個數字輸入通道；
* 分辨率為8位；
* 并行接口；
* 外部參考電壓范圍為VSS_VDD；
* 模擬輸出范圍為VSS_VDD；
* 電源供電范圍為2.7_5 V。
四、系統構成
本作品的體系結構框架如圖1所示，軟件流程圖如圖2所示。
服務端應用程序
客戶端應用程序
網卡驅動程序
A/D D/A驅動程序
μClinux內核
Altera Stratix 1S10
Nios CPU A/D D/A的接口邏輯
語音板

圖1  體系結構

圖2  軟件流程圖
五、設計描述
本系統的設計分為硬件和軟件兩部分，硬件主要是在ALTERA的Stratix板上擴充了一塊語音板，用來接受語音的輸入并實現模/數的轉換；軟件部分是移植μClinux操作系統，編寫A/D板的驅動及上層應用程序的開發。
1．硬件部分
在實現語音模/數轉換時主要應控制AD7811、AD7305的時序，在模擬信號輸入時用運放調整電壓至AD7811能接受的范圍。圖3是語音板時序控制狀態轉換圖。

圖3  語音板的序控制狀態轉換
在這里我們用SOPC Builder提供的用戶自定義接口來實現以下功能：到avalon總線的接口，對A/D、D/A芯片的控制時序；按特定采樣率進行采樣，利用可讀/寫寄存器任意更改采樣率；采用內置緩沖存儲采樣數據，每采樣32次才發出一次中斷，從而減少CPU中斷的次數。
SOPC Builder設置如圖4所示。

圖4  SOPC Builder設置
部分接口邏輯如下：
when read0 =>    -- read left
   if scnt mod 4 = 1 then
    data0(i) <= DOUT;
   end if;
   if scnt=0 then
    state <= set1;
    scnt <= 39;
   else
    scnt <= scnt - 1;
   end if;
  when set1 =>    -- select right
   if scnt=0 then
    state <= wait1;
   else
    scnt <= scnt - 1;
   end if;
2．軟件部分
首先成功地移植了操作系統，用來管理驅動與上層應用程序之間的通信。其次，編寫A/D的驅動以及客戶端和服務端的應用程序，這里系統的兩端都能用作客戶端和服務端，但要求作為服務端的應用程序應先啟動偵聽。
A/D的驅動程序主要由以下幾部分組成：讀緩沖區內容、寫入緩沖區、產生中斷等。以下是寫緩沖的部分示例：
if(w_tail+count<8193)  //能一次寫完
     {
      PRINTK("count=%dn",count);
      for(i=0;i<count;i++)
      {       
       w++;
       get_user(temp,buf+i);
       kbuf_w[w]=temp;
      }

}else //分兩次寫完
 {
  if(w+count-8193>w_front)printk("kbuf_w full!*****n");
  PRINTK("two time:count=%dn",count);
  for(i=0;i<8192-w_tail;i++)
      {       
       w++;
       get_user(temp,buf+i);
       kbuf_w[w]=temp;
      }
      for(w=0;i<count;i++)
      {       
       w++;
       get_user(temp,buf+i);
       kbuf_w[w]=temp;
     }
}
這里緩沖區的大小是8192個字節，采用的是環狀緩沖區。
上層應用程序分為客戶端和服務端，在服務端先啟動偵聽，然后運行客戶端程序，輸入服務端IP，建立連接后就能進行通信。以下是服務端程序的部分示例。
while(1)
{
time++;
 if((read_cnt=read(audio,buf_r,512))<0)
 {
  fprintf(stderr,"read from driver error happened or manual quit!n");
  break;
 }
 if(read_cnt==0)continue;
 if((nbytes=read(newfd,buf_w+count,1024))<=0)
{
  fprintf(stderr,"receive from client Error:%sn",strerror(errno));
  break;   
 }
 count+=nbytes/2;
    
 if(write(newfd,buf_r,read_cnt*2)<0)
{
  fprintf(stderr,"Write to client Error:%sn",strerror(errno));  
  break;   
 }
    
 if(time==t)
 {
  if((nbytes=write (audio, buf_w, count)) != count)
  {
    perror ("write to adda driver error!n");      
     break;
  }
 time=0;count=0;
 }
}
六、系統特點
(1)  μClinux的移植。嵌入式μClinux操作系統保持了Linux操作系統幾乎所有的優秀特性，比如穩定、可剪裁、強大的網絡功能、出色的文件系統等。嵌入式μClinux具有高度靈活的可定制內核。μClinux源代碼公開，便于自行開發各種應用軟件。另外，μClinux移植成功后，可以利用Linux下的大量資源，有許多軟件無需修改或者通過少量修改重新編譯后即可以在μClinux下運行，從而提高了開發效率和軟件重用的比例。因此，進行Nios CPU的移植具有極其重要的意義和價值。
(2) 移植了μClinux下的網絡驅動程序。網絡驅動程序是Linux中自帶的驅動程序，但必須修改核心程序以適應具體不同品牌的網絡芯片和不同的SOPC Builder設置。
(3) 編寫了μClinux下的聲卡(自行開發設計的A/D、D/A板)驅動程序。在一個嵌入式系統的設計中，常常需要根據數據或者處理任務進行外設定制，比如說為一些非標準的外設提供接口；或者是通過刪除不必要的外設特性降低外設使用的邏輯單元數，從而提高整個系統的性能。這正是SOPC Builder的長處所在。在SOPC Builder中，可以使用用戶自定義邏輯實現上述外設定制。只有為這些用戶自定義的外設開發合適的驅動程序，才能完成μClinux下的應用程序開發。
(4) 完成了μClinux下的應用程序：分別為服務端和客戶端應用程序提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
七、總結
SOPC是一個軟件工具，是一種基于IP(Intellegent Property)或者說是平臺的設計方法，是進行嵌入式系統的原型開發和研究工作的上佳選擇。多種實時操作系統對Nios CPU的支持更使其如虎添翼，因此它必將獲得更大的成功。
成功移植μClinux的經驗增強了我們對Nios CPU的信心，加深了我們對SOPC的認識：SOPC是一種靈活高效的SOC解決方案，具有硬件可編程的靈活性和IP設計的重用性。ALTERA提供了大量基本的IP，使用戶能迅速地搭建一個簡單的系統，對于一些高級用戶，還能自己添加合適的IP，極大地增強了系統的靈活性和用戶的自主性。
 SOPC Builder中用戶自定義邏輯，使得用戶能很方便地編寫用戶增加的外設時序和中斷控制，一方面能增強系統的速度，另一方面又方便了驅動程序和上層應用程序的編寫。
－12－ Nios(r)軟核心嵌入式處理器設計大賽優秀作品精選

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