（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式操作系统的实时多媒体传输系统的可靠性研究.pdf

摘要 近年来，随着通信技术的迅猛发展，各种多媒体业务呈现出空前 的繁荣景象，这些新的业务为用户提供了灵活、多样的服务。其中在 网络上传输音频和视频实时多媒体业务的应用越来越广泛，逐步成为 业务的主流。由于i p 网络的设计初衷只是为了处理非实时数据，只 能提供“尽力而为”( b e s te f f o r t ) 的服务，所以无法满足实时播放 音频和视频多媒体业务所需的服务质量。加之实时多媒体业务占用的 带宽明显加大，在网络总带宽一定的情况下，导致每个用户可以用来 接收多媒体业务的带宽不足，造成播放效果不佳。如何提高实时多媒 体数据传输的可靠性，确保传输业务的服务质量，是当前实时多媒体 业务应用研究的关键问题。 本文提出了一种具体的实现方案，该方案基于嵌入式操作系统， 能够保证多媒体传输业务的实时播放质量。基于这个方案，本文探讨 了在m 5 2 4 9 c 3 开发板上建立嵌入式操作系统环境的方法和过程，并分 析、对比研究了适用于实时多媒体传输的数据恢复方法。 在深入探讨嵌入式操作系统和实时多媒体应用技术背景和发展 前景的基础上，本文首先描述了b i 5 2 4 9 c 3 开发板内部模块和外部接 口，探讨了u c li n u x 嵌入式操作系统的基本原理及其在m 5 2 4 9 c 3 上的 具体实现方法，包括内核模块的选择、j f f s 文件系统驱动程序的编 写与实现、内核编译与程序调试。然后，本文介绍了实时传输协议 r f c1 8 8 9 ，并在此基础上分析了影响实时多媒体回放质量的因素和实 时性能的平衡问题。最后，本文提出了一种使用前向纠错方法( r f c 2 7 3 3 ) 来保证实时多媒体回放质量的方法，并进行了实验测试。测试 结果表明，本文提出并采用的前向纠错方法可以大幅度的降低分组丢 失率，提高实时多媒体业务的回放质量，增强实时多媒体数据传输的 可靠性并较有效地解决了实时多媒体回放的质量问题。 关键字：嵌入式操作系统，u c l i n u x ，实时多媒体传输，可靠性 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t e l e c o m m u n i c a t i o n si nr e c e n ty e a r s a l l k i n d so fm u l t i m e d i ab u s i n e s s ，g l o r i o u s l y , p r o v i d es u b s r i b e r sw i t hv a r i o u s s e r v i c e s t h es e r v i c eo ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o no fr e a lt i m em u l t i m e d i a d a t ai sp r a c t i c e dm o r ea n dm o r eb r o a m a n db e c o m e st h em a i n s t r e a m s t e pb ys t e p t h eo r i g i n a ld e s i g np u r p o s eo fi pn e t w o r ki st od e a lw i t h n o n r e a l t i m ed a t a a n dj u s tc a np r o v i d e ”b e s te f f o r t ”s e r v i c e t h e r e f o r e ，i t c a n n o tp r o v i d et h eq u a l i t yo fs e r v i c ef o rm u l t i m e d i as e r v i c e ss u c ha s a u d i oa n dv i d e op l a y b a c k m o r e o v e r , t h er e a lt i m em u l t i m e d i as e r v i c e w i t hh i g hb a n d w i d t ho c c u p a t i o ni sg r o w i n gm o r e ，i nt h ec o n d i t i o no f c e r t a i nt o t a lb a n d w i d t h ，e v e r yu s e rh a s1 3 0e n o u g hb a n d w i d t ht or e c e i v e m u l t i m e d i as e r v i c e ，s ot h ep l a y b a c kp e r f o r m a n c ei sp o o r o n ek e y p r o b l e mi nt h er e s e a r c ho fr e a lt i m em u l t i m e d i as e r v i c ei sh o w t oi n c r e a s e t h er e l i a b i l i t yo fr e a lt i m em u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o n a n dh o wt o e n s u r eo o so ft e l e c o m m u n i c a t i o n s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sap r a c t i c a lp r o p o s a l w h i c hi sb a s e do nt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dc a ne n s u r et h er e a lt i m ep l a y b a c k p e r f o r m a n c eo fm u l t i m e d i as e r v i c e b a s e do nt h i sp r o p o s a l ，t h i sa r t i c l e a n a l y s e st h em e t h o da n dp r o g r e s so fb u i l d i n ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m o nm 5 2 4 9 c 3d e v e l o p m e n tb o a r d a n da n a l y s e sa n dc o m p a r e st h ed a t a r e c o v e r ym e t h o dw h i c hi ss u i t a b l ef o rr e a lt i m em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o n o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho nt h et e c h n i c a lb a c k g r o u n da n d d e v e l o p m e n tf u t u r eo fe m b e d d e do p e r a t i o n gs y s t e ma n dr e a lt i m e m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ei n t e m a lm o d u l e sa n d e x t e m a li n t e r f a c e so fd e v e l o p m e n tb o a r dm 5 2 4 9 c 3 a n a l y s i st h e f u n d a m e n t a l so fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u xa n di t sr e a l i z a t i o n o nm 5 2 4 9 c 3 ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no f k e r n e lm o d u l e s t h er e a l i z a t i o no f j f f sf i l es y s t e m ，k e r n e lc o m p i l a t i o na n dp r o g r a md e b u g g i n g a n dt h e n ， i ti n t r o d u c e st h er e a lt i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o lr f c18 8 9 a n dt h e no n i t sb a s i sa n a l y s i z e st h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep l a y b a c kp e r f o r m a n c eo f r e a lt i m em u l t i m e d i a a n dt h eb a l a n c eo ft h ep e r f o r m a n c eo fr e a lt i m e m u l t i m e d i a a tl a s t t h i sa r t i c l eb r i n g su pam e t h o dt ou s ef o r w a r de r r o r c o r r e c t i o np r o p o s a lf r f c2 7 3 3 ) t oe n s u r et h ep e r f o r m a n c eo f r e a lt i m e m u l t i m e d i ap l a y b a c k a n dc a r r i e so u tp r a c t i c a lt e s t t h et e s ts h o w st h a t t h ef e cp r o p o s a li n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l ec a n g r e a t l yd e c r e a s et h e p a c k e tl o s sr a t i o i n c r e a s et h ep e r f o f i n a n c eo fr e a lt i m em u l t i m e d i a p l a y b a c k 。i n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fr e a lt i m em u l t i m e d i ad a t a t r a n s m i s s i o n a n de f f e c t i v e l yd e a l sw i t ht h ep e r f o r m a n c ep r o b l e mo fr e a l t i m em u l t i m e d i ap l a y b a c k k e yw o r d s ：e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，u c l i n u x ，r e a l t i m em u l t i m e d i a t r a n s p o r t ，r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 吩 签字日期：眺r 年二月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 崔蜴旧 签字日期：吨析2 月硝日 导师签名1 苏盾评 签字日期：c w 年丑月乙) 艿同 第一章概述 1 1 嵌入式系统概述 第一章概述 嵌入式系统是一种以应用为中心、软硬件可裁减、适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗等综合要求较严格的专用计算机系统。嵌入式系统主要 由嵌入式微处理器、相关的支持硬件、嵌入式操作系统及应用软件等组成，它是 集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。 1 1 1 嵌入式系统的历史、现在和未来 在当前的数字信息技术和网络技术高速发展的后p c ( p o s t p c ) 时代，嵌入 式系统已经广泛的渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化 艺术、娱乐业以及人们的日常生活等方方面面中。随着国内外嵌入式产品如车载 电脑、机顶盒等的进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。 在p o s t - p c 时代嵌入式系统可能存在于生活的方方面面中，从家早的洗衣机、电 冰箱，到作为交通工具的自行车、小汽车，到办公室里的远程会议系统等等，都 会涉及到采用嵌入式技术开发和改造的产品。 实际上，嵌入式系统这个概念很早以前就已经存在了。在通信方面，嵌入式 系统在1 9 6 0 年就被用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序 控制系统”( s t o r e dp r o g r a mc o n t r 0 1 ) 。那个时候，计算机一词却还不是很普遍， 而存储式程序主要是指用于存储程序及日常信息的内存部分。存储这些逻辑数 据，而不是将其写入硬盘，这个概念的确具有突破性的意义。 这个时候还没有出现操作系统的概念，对每一个应用都需要提供整个计算机 的设计。后来出现了微处理器，它用来提供一个中央计算引擎。利用微处理器， 组成了一个基于由总线连接起来的计算机硬件体系结构，并且提供了一个通用功 能的编程模型，从而简化了编程。 嵌入式系统的概念是在1 9 7 0 年左右出现的。不过在当时，大部分都是由汇 编语言完成的，而且这砦汇编程序只能用于某一种固定的微处理器。当这种微处 理器过时之后，这种嵌入式系统就没有用了：并且还要开始对新的微处理器写新 的嵌入式系统。 这个时候的嵌入式系统很多都不是操作系统，它们只是为了实现某个控制功 能，使用一个简单的循环控制对外界的控制请求进行处理。不可否认，这对一些 简单的系统而言是足够的。但是随着系统的复杂性增加，利用的范围越来越广泛， 第一章概述 没有操作系统就成了一个致命的缺点。因为每当需要添加一项新功时都必须从头 开始设计，这极大地增加了开发的成本和系统的复杂度。 c 语言的出现使得操作系统开发变得越来越简单。利用c 语言可以很快的写 出一个小型的、稳定的操作系统。众所知之，c 语言的作者d e n n i sm r i t c h i e 和 b r i a nwk e m i g h a n 利用它写出了著名的u n i x 操作系统。而u n i x 操作系统直 接影响了这三十年计算机业的发展。同时，对开发嵌入式系统来说，c 语言的出 现大大地提高了效率和速度。 从上世纪八十年代丌始，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，这些操作 系统大部分都是为专有系统而开发的，从而形成了现在多种形式的嵌入式操作系 统百家争鸣的局面。如u c l i n u x 、v x w o r k s 和w i n d o w sc e 等等。 现在，网络多媒体在人们生活中的应用越来越广泛，自然而然，在嵌入式系 统中使用网络系统也成为了一项基本的要求。在嵌入式系统中实现网络协议栈， 对满足r 1 常生活中的需要极有意义。利用嵌入式系统中的网络功能，可以实现信 息电器这一即将取代p c 在后p c 时代占据市场主体的商品。我们知道，如果在 上面所说的那种采用循环控制的嵌入式系统中加入网络协议栈，复杂度会呈指数 增长。这种情况下，在嵌入式操作系统中增加网络协议模块要方便得多，并且还 能方便各种网络应用程序的不同平台移植。 在未来的社会里面，使用嵌入式系统的情形会越来越多。嵌入式系统可能存 在于生活的各个角落：您家里可能就是通过一个嵌入式系统控制的中心，管理您 家里的所有家电，控制家庭和外界网络的连接，让您的生活更为方便：您出门旅 行的时候，在饭店的门把手里面安装有电子识别控制系统，利用嵌入式系统根据 您手上的特征，判断什么时候应该给您开门：在坐车的时候，汽车电脑可以通过 g p s ( 全球卫星定位系统) 来判断自己的具体位置，利用嵌入式智能系统判断应 该走哪条路比较方便；如果您一不小心生病住院，在医院的设备仪器里面都可能 存在有嵌入式系统，用来选择和控制仪器，提高您手术的成功率和方便程度。 1 1 2 嵌入式系统的特点 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式m p u 与通用型c p u 的最大 不同就是嵌入式m p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低 功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集 成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟 网络的耦合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 第一章概述 高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选 择更具有竞争力。 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器 芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 5 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常不能 对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行丌发。 12 实时多媒体网络传输 在“计算机就是网络”的时代，多媒体应用基本上就是网络环境的应用，随 着计算机网络的技术和多媒体技术的发展，多媒体应用将变得越来越丰富，越来 越贴近并服务于人们的生活。网络多媒体的应用，像远程教学、音视频会议系统、 远程医疗诊断等目前基本上都未能完全实现。远程教学就是利用分布式多媒体系 统，学生就可以接收异地教师的图、文、声、像一体的生动活泼的教育。这种教 学方式必将成为二十一世纪高等教育最重要的教育方式之一。在国内外多已不同 程度实现了网络教学，例如美国高校已普遍实现网上教学，师生们可以通过校园 网，甚至i n t e m e t 完成课程教学。然而，目前大多数多媒体教学都只是异地学生 通过网络与远程服务器多媒体教学数据库“打交道”，这种“人机”教学模式称 作异步多媒体远程教学，真正的“人与人”之间，就是学生和教师之间在异地实 现“实时交互”的多媒体远程教学，我们称之为同步实时远程教学。目前由于受 到网络带宽、多媒体数据压缩技术和q o s 等技术的限制还未能真正实现。同 样，时至今f _ 1 ，音视频会议系统的效果也不能令人满意，除了要用专用网络外， 价格当然也不菲。 随着互联网进一步发展，人们已不再满足传统i n t e m e t 上的文件传输和w e b 浏览，开始向互联网提出了更高的要求在互联网上实现多媒体信息的实时交 互。上边提到的远程教学就是它的应用。它的应用前景和市场潜力是非常广阔的， 可以浼是商机无限。其实对多媒体信息实时传输的研究早已成了当前计算机通信 技术和多媒体技术研究的前沿课题。近年来，如何使实时多媒体信息在网络中可 靠的传输已经成为当前多媒体技术和计算机通信技术的一个研究热点。 多媒体数据是由内容上相关的文本、图形、图像、音频或视频等数据成分构 第一章概述 成的，其最明显的特点就是数据类型复杂和数据信息量大。实时多媒体信息除了 多媒体本身的基本特点之外，还具有数据率高、时延及时延抖动要求高、实时交 互、同步以及支持q o s 等重要特性。计算机通信和网络技术在过去的十几年里， 尤其在2 1 世纪取得了很快的发展。但当时的通信系统和网络技术都是为了常规 数据应用( 如f t p 、h t t p 等) 而设计的，i n t e r n e t 上主机的处理速度和网络带宽 各不相同，工作负载变化不定并且各种应用之间共享资源。另一方面，i n t e r n e t 是一个“b e s t e f f o r t ”的网络，不提供任何机制来预留资源或保证q o s ，所以可 用带宽、服务质量、延迟以及延迟抖动等动态特性严重影响了实时多媒体信息在 i n t e m e t 上的应用。所以，基于实时多媒体信息的特性，在网络上实现可靠传输 实时多媒体信息是必须解决的问题。目前对这个问题的研究主要集中在流媒体技 术和网络通信协议等方面的研究。 12 1 流媒体技术 流媒体( s t e a m i n gm e d i a ) 是指在i n t e m e t i n t r a n e t 中使用流式传输技术的连 续时基媒体，如：音频、视频、动画或多媒体文件。比如f l a s h 动画就是一种形 式的流媒体。流媒体技术就是把连续的音频、视频经过压缩处理后放到网络服务 器上，让浏览者一边下载一边观看、收听，而不需要等全部多媒体文件下载完成 就可以观看。所以流媒体技术也是解决实时多媒体信息传输的一个很好的解决方 法。流媒体技术是一种解决多媒体播放的“软”技术，融合了很多网络技术，涉 及到流媒体数据的采集、压缩、存储、传输以及网络通信等技术。 流媒体技术的实现需要解决多项技术问题。第一，普通的多媒体数据必须进 行处理才能适合流式传输，处理包括：高效的压缩算法和向文件加入流式信息。 第二，流式传输的实现需要合适的传输协议，一般都采用建立在u d p 协议之上 的r t p 协议以及台适的纠错算法来传输实时的影音数据。这些技术的解决最终 是为了解决实时多媒体信息的可靠传输问题。 1 2 2 网络协议 随着i n t e m e t 及多媒体技术的飞速发展，在i n t e m e t 上传输的数据越来越多 的是对传输时间有严格限制的多媒体实时数据，多媒体数据的传输往往要求可 靠、低延时和低抖动的传输。完善的网络传输机制是解决多媒体数据实时、可靠 传输的一个关键。 当前的i n t e r n e t 网络是建立在t c p i p 基础上的网络。由于建立在t c p 协议 基础上的网络是一个基于“b e s t e f f o r t ”策略的传输系统，位于传输层的t c p 提 第一章概述 供的是可靠的递送服务，t c p 协议使用的是g o b a c k - n 重传机制，这样的网络 的特点就是求“稳”而不求“快”，这是由于网络建立之初的主要目标是传输文 件，而不是大容量、实时性要求高的多媒体信息。在网络拥塞时，丢包率较高， 传输时延也会很大，此时t c p 传输数据的效率极其低下，为保证可靠递送而采 用的重传使得对多媒体数据传输的延时和抖动要求更加无法满足；同时由于t c p 是面向连接的可靠传输协议，所以存在建立和关闭连接的巨量开销，所以t c p 不适用于对实时性要求很高的多媒体数据的传输。传输层上的另外一个协议是 u d p 协议，它是面向无连接的协议，在传输大容量的数据时，效率比t c p 盼议 高，所以一般基于t c p i p 的多媒体实时传送多采用u d p 协议。但是u d p 洳议 不能很好的解决i p 网络环境中传输实时数据存在的延时、抖动、分组丢失率等 问题。基于此，h s c h u l z r i n n e 等提出了一种适合实时信息传输的实时传输协议 ( r e a l t i m e t r a n s p o r tp r o t o c o l ，r t p ) 以及实时传输控制协议( r e a l - t i m e t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c o l ，r t s p ) 来传输实时数据。它的运行机制很好的解决了t c p 协 议的不足。r t p 是一个轻量级的协议，它建立在u d p 之上，为实时数据传送提 供检测手段，r t p 数据报头部中的序号、时间戳、同步源标识等信息为错误恢复、 分组丢失率的估计、传输复用等手段提供了可能性。 但是r t p 本身没有提供任何关于错误恢复的机制。为此，需要自己在实现中 添加错误恢复的机制，这些机制主要包括前向纠错( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ， f e c ) 和自动重传( a u t o m a t i c r e q u e s t r e t r a n s m i s s i o n ，a r q ) 等。其中，f e c 机 制由于其引入的时延小、效果好而得以广泛应用。f e c 的原理就是在r t p 流中增 加冗余比特，当分组丢失时利用冗余的比特恢复数据。 h s c h u l z r i n n e s u j r o s e n b e r g 提出了为r t p 添加前向纠错( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ，f e c ) 的机制，描述了r t p 分组的一种一般性前向纠错方法。这种格 式针对基于异或操作的f e c 算法进行了特殊设计，它允许终端系统使用任意长度 的纠错码，并且可以同时恢复出荷载数据和r t p 头中的关键数据。由于f e c 作为 一个分离的数据流进行传送，这种方案可以向后兼容那些没有实现f e c 解码器的 接收终端。对于这样的终端来说，可以简单地将f e c 数据丢掉。 1 3 本论文的主要工作 本论文的研究内容是飞思卡尔强芯( 天津) 集成电路设计有限公司 ( f r e e s c a l e ) 和天津大学合作的第二校园项目“实时多媒体传输系统的实现”的 一部分。其目标是接收来自不同载体和媒介的多媒体信号，并且以优良的音质将 其回放，以达到良好的视听效果。 第一章概述 本项目使用的开发板是f r e e s c a l e 公司的m 5 2 4 9 c 3 ，嵌入式操作系统为 u c l i n u x ，同时采用了s i p 、r t p r t c p 年i f e c 协议来实现多媒体( 女i m p 3 ) 数据的 传输。 本论文主要完成的工作包括： 完成了m 5 2 4 9 c 3 开发板上嵌入式操作系统的建立工作，为整个项目搭建 了完善的硬件和系统环境。完成的主要工作包括：根据项目需要对 u c l i n t l x 内核模块和应用程序模块进行了增减，使其满足项目的要求；编 写了j f f s 文件系统驱动程序并在系统中实现；实现了n f s 文件系统并进 行了相关的调优，为联合开发创造了便利条件；编译了内核，并解决了 在编泽中出现的各种问题。 在深入探讨有关网络协议和网络环境对多媒体业务传输影响的基础上， 提出了使用前向纠错方法来保证实时多媒体信号回放质量的设想，并用 c 语言实现了该设想。为了验证实现方法的正确性，本文还进行了实验 测试。测试结果表明，所提出并采用的前向纠错方法可以大幅度的降低 分组丢失率，提高实时多媒体业务的回放质量，从而证明了所提方法的 可行性和有效性。 1 4 论文的章节安排 本论文的总体结构如下 第一章概述，介绍了嵌入式操作系统，并分析了多媒体业务技术发展 的现状和存在的主要问题； 第二章 描述了m c f 5 2 4 9 开发板模块和接口，同时讨论了嵌入式操作系 统u c l i n u x 采用的关键技术； 第三章 研究了u c l i n u x 在m c f 5 2 4 9 7 f 发板上的内核编译方法和开发环 境的建立过程： 第四章 针对实时多媒体业务的传输，提出了采用前向纠错方法的必要 性和具体实现方法； 第五章分析了网络环境对实时多媒体业务传输的影响，并进行了相关 的测试； 第六章 研究了前向纠错技术在u c l i n u x 上的具体实现。 第一章概述 本项目使用的开发板是f r e e s e a l e 公司的m 5 2 4 9 c 3 ，嵌入式操作系统为 u c l i n u x ，同时采用了s i p 、r t p r t c p 和f e c 协泌来实现多媒体( 立i m p 3 ) 数据的 传输。 本论文主璺完成的工作包括： 完成了m 5 2 4 9 c 3 开发板上嵌入式操作系统的建立工作，为整个项目搭建 了完善的硬件和系统环境。完成的主要工作包括：根据项目需要对 u c l i n u x l l 核模块和应用程序模块进行了增减，使其满足项目的要求：编 写了j f f s 文件系统驱动程序并在系统中实现：实现r n f s 文件系统并进 行了相关的调优，为联合丌发创造了便利条件；编译了内核，并解决了 在编译中出现的各种问题。 在深入探讨有关网络协议和网络环境对多媒体业务传输影响的基础上， 提出了使_ 【_ i j 前向纠错方法来保证实h j 多媒体信号回放质量的设想，并用 c 语苦实现了该设想。为了验证实现方法的正确性，本文还进行了实验 测试。测试结果表明，所提出并采用的前向纠错方法可咀大幅度的降低 分组丢失率，提高实时多媒体业务的回放质量，从而证明了所提方法的 口j 行性和有效性。 1 4 论文的章节安排 本论文的总体结构如下 第章 概述，介绍了嵌入式操作系统，并分析了多媒体业务技术发展 的现状和存在的主要问题； 第二章描述了m c f 5 2 4 9 开发板模块和接口，同时讨论了嵌入式操作系 统u c l i n u x 采用的关键技术； 第三章研究了u c l i n u x 在m c f 5 2 4 9 开发扳上的内核编译方法和丌发环 境的建立过程； 第四章针对实时多媒体业务的传输，提出了采用前向纠错方法的必要 性和具体实现方法： 第 章 分析了网络环境对实时多媒体业务传输的影响，并进行了相关 的测试； 第六章 研究了前向纠锚技术在u c l i n u x 上的具体实现。 第六章研究了前向纠锚技术在u c l i n u x 上的具体实现。 第_ 二章m 5 2 4 9 c 3 开发板和嵌入式操作系统u c l i n u x 第二章m 5 2 4 9 0 3 开发板和嵌入式操作系统u c iin u x 2 1 开发板m 5 2 4 9 c 3 m 5 2 4 9 c 3 是一款基于m o t o r o l a 公司c o l d f i r e 微处理器家族的m c f 5 2 4 9 处理器的多 功能单板计算机，它可以在不同的应用中被用作一种强大的基于微处理器的控制器。 它可以作为参考设计、开发、评估、教育、培训等的一种完整的微计算机系统。用 户只需要连接一个r s 一2 3 2 兼容的终端( 或者一台带有终端仿真软件的个人计算机) 和一个电源，就可以拥有一个功能完整的系统。m c f 5 2 4 9 提供了丰富的外设接口，可 以方便的与各种外围设备相连接，达到扩展m c f 5 2 4 9 功能的目的“1 。 2 1 1 串行音频接口 m c f 5 2 4 9 数字音频接口提供了4 个串行p h i l i p si i s s o n ye i a j 接口。一个接 口为4 引脚( 1 个位时钟，1 个字时钟，1 个数据输入，1 个数据输出) ，另外3 个接 口为3 引脚( 1 个位时钟，1 个字时钟，1 个数据输入或输出) 。这些串行接口没有 最小采样频率的限制。最大采样频率由位时钟输入的最大频率决定( 内置系统时钟 频率的1 3 ) 。 2 1 2 双u a r t 模块 此模块有2 个全双工u a r t ，均带有独立的接收发送缓冲。数据格式可以为5 、 6 、7 或8 位，偶、奇或无校验，以及1 1 6 增量中的2 个停止位。4 字节接收缓冲和 2 字节发送缓冲使c p u 服务调用降至最低。双u a r t 模块还提供了一些差错检测和中 断能力。调制解调器支持包括要求发送( # r t s ，r e q u e s t t o s e n d ) 和清除发送( # c t s ， c l e a r t o s e n d ) 线。系统时钟提供了可编程预定标器的定时功能。用户可以选择全 双工、自动反射回送、本地回送和远程回送模式。可编程双u a r t 可以在不同的普通 或者差错条件的时间下中断c p u 。 2 1 3o s p i ( 队列串行外围接口) q s p i 模块提供了带有队列传输能力的串行外围接口，支持某一时刻的多达1 6 第二章m 5 2 4 9 c 3 开发板和嵌入式操作系统u c l i n u x 个堆栈传输。通过使用内置存储器映射寄存器与内置的c o l d f i r em p u 通信，q s p i 可以在传输之间无需m p u 干预。m p u 即m c f 5 2 4 9 的时钟为1 4 0m h z 时，传输速率可 达1 7 5m b p s 。 2 1 4l2 c 模块 双线的i2 c 总线接e 1 是在设备之间交换数据的双向串行总线，与p h i l i p s 的1 2 c 总 线标准相兼容，提供了设备之间数据交换的一种简单有效的方法。i2 c 总线将最终系 统中各种设备的内联最小化，最适合于那些需要在设备之间进行不经常的短距离突 发快速通信的应用程序。总线电容和特殊地址的数量限制了最大通信距离和能连接 的设备的数量。 2 1 5 中断源 c o l d f j r e 家族的处理器可以接受7 级中断优先级。当处理器接收到一个比当前中 断任务优先级高的中断时，它会在当前指令周期的末尾执行一个中断确认周期。这 个中断确认周期向该中断的源头表明，请求正在确认，设备应该提供适当的响亮号 来表明该中断的服务进程位于何处。如果中断源不能提供这样的向量，则其中断应 该设置为一个自动向量中断，由其引导处理器到例外表中的一个预定义的入口处。 处理器通过例外表到达一个例外进程。此表存储在f l a s he 2 p r o m 中。向量表的 地址存储在v b r 中。d b u gr o m 的监视器向r a m 的$ 0 0 0 0 0 0 0 0 地址写入向量表的一个拷 贝。要设置一个例外向量，用户要将例外处理程序的地址放入位于$ 0 0 0 0 0 0 0 0 的向量 表的正确向量中，然后将v b 时旨向$ 0 0 0 0 0 0 0 0 。 m c f 5 2 4 9 微处理器有8 条外部中断请求线i n t 7 ：0 ，所有的请求线均和其它 功能复用。中断控制器能够提供多达3 2 个中断源。这些源头是： 外部中断信号i n t 7 ：0 u a r t 模块 i 2 c 模块 音频接口模块 d m a 模块 q s p i 模块 所有的外部中断输入都是边沿触发的。触发级别是可编程的。所有的中断请求 第_ 章m 5 2 4 9 c 3 开发板和嵌入式操作系统u c l i n u x 都必须保持有效，直到开始一个l a c k 周期来保证正确的处理。每个中断输入都能够 通过设置中断控制寄存器中的x l p l 2 ：0 位来编程其优先级。 2 2 嵌入式微处理器m c f 5 2 4 9 m o t o r o l a 公司的m c f 5 2 4 9 芯片是一款性价比极高的c o l d f i r e 家族处理器，设 计作为m p 3 w m a 音乐播放器的系统控制器解码器。作为m p 3 w 姒解码器的时候， m c f 5 2 4 9 需要不到2 0 m l t z 的m p u 带宽。 2 21m g f 5 2 4 9 的主要模块 m c f 5 2 4 9 具有下列主要模块“1 ( 见图2 - 1 ) ： 图2 - 1m c f 5 2 4 9 内部模块结构框图 c o l d f i r ev 2c o r e 具有4 条d m a 通道的d m a 控制器 集成e m a c ( e n h a n c e dm u l t i p l ya c c u m u l a t e ，增强型累加乘法) 单元 第_ 章m 5 2 4 9 c 3 开发板和嵌入式操作系统u c l i n u x 支持l l s 总线和e i a j 音频协议的串行音频接目 双u a r t q s p t ( q u e u e ds e r i a lp e r i p h e r a li n t e v f a c e ，敬列事行终圉接口) 2 个i2 c 模块 兼容i e c 9 5 8 音频协议的数字音频发遴器和2 个接收器 2 2 ，1 1c o l d f ir ev 2o o r e c o l d f i r ev 2c o r e 的缝瑾器包禽2 条独立的去藕流承线结稳，使褥棱心最小雨 性能鼹优。取指流水线( i f p ，i n s t r u c t i o nf e t c hp i p e l i n e ) 为一条预取指令的双 蹬段漉承线。然瑶谈取褥麴指令滚逡逶进入双玲段撵锋数执行演承线( o e p ，o p e r a n d e x e c u t i o np i p e li n e ) ，它负责解码搬令、取得需要的操作数、然后执行需要的功能。 由于i f p 和o e p 此二条流水线由一个作为f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ，先进先出) 醛翻懿指令缓冷器送毒亍去耩，因蠢t f p 霹良在搔令被o e p 实舔捷震之蘸颈取 器令， 这样可以将等待指令的暂停时间缩至最短。 2 2 t 2d m a 擦潮器模袋 m c f 5 2 4 9 提供4 个全可编程d m a 通道，可以满足快速数据传输的需要。支持单 逵楚耱双蘧蛙掰耱模式，霹滋进行突发帮鼹麓糖霹两静编程。数攒传输霹数选择为 8 、i 6 、3 2 或者1 2 8 位等。支持打包和解包。d m a 通道可以和2 条内澄音频通道和双 u a r t 阑时使用。掰有的通道都可以执行存赌嚣到存储器的传输。d m a 控制器有一个 用户可选的2 4 位或1 6 位计数器和一个可编稷的d m a 镪辩处理概。 2 ；2 1 3e m a c 孽元 内置的e m a c 单元提供了一个d s p 操作的通集，并增强了c o l d f i r e 结构的整数 乘法指令，可以作为音频鳞冯器韵遮冀d s p 。转姒c 单元提供了3 转嘏关功能； 更快的荫符号藉秃符号整数蒙法 新的乘法累加操作，支持有符号和无符号操作数 薮豹各葶孛枣毒器掇 鐾 苎三皇些! ! ! ! 望茎垄堡塑壁垒壅塑堡墨堑! 曼! ! ! 竺 221 4s i m ( s y s t e mln t e g r a t i o nm o d u l e ，系统集成模块) s i m 模块提供了内部和外部总线的总体控制，作为c o l d f i r ec o r e 处理器利内 置外设或者外部设备之间的接e l 。s i m 还可以配置g f i o ( g e n e r a p u r p o s e1 o ，通 用输入输出) 并使能c p u 的s t o p 指令。 2 2 1 5 片选模块 片选( c h i ps e l e c t ) 模块提供了4 个片选输出、2 个缓冲使能输出和1 个输出 使能信号的用户可编程控制。m c f 5 2 4 9 上有4 个可编程的片选，可以直接与s r a m 、 e p r o m 、e e p r o m 、f l a s h 和其它外设相接口，均为低有效。2 个可编程片选输出( c s o 利c s i ) 提供了使能无缝连接到外部存储器和外设电路的信号。基地址、访问权限 和自动等待状态插入在配置寄存器中可编程。这些信号还可以接到1 6 位端口。2 个 专用片选( c s 2 和c s 3 ) 用于i d ef u 或s m a r t m e d i a 接口。 2 2 1 6b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e ，背景调试模式) 模块 b d m 在微处理器硬件中作为一种低端系统调试器。b o m 与开发系统的通信是通过 一个专用高速全双工串行命令接口来完成的。c o l d f i r e 在一个专用硬件模块巾实现 了b d m 控制器。虽然某些b d m 操作需要c p u 暂停( l l ：女r l 访问c p u 寄存器) ，而另一些 诸如访问存储器的b d m 命令可以在处理器运行时去执行。 2 3 嵌入式操作系统u o ii n u x 嗍，”3 2 3 1u c | i n u x 概述 随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从p c 时代过渡到了 以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3 c ( 计算机、通信、消费电子) 一体的后p c 时代。后p c 时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应 用于信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。嵌入式系统的开发 也成为近年通信行业的技术热点。 完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统，如以前许多m c s 一5 1 系列单片 机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路。但是随着所谓后p c 时代的来 临，嵌入式系统设计日趋复杂，嵌入式操作系统就必不可少了。 第：章m 5 2 4 9 c 3 开发板和嵌入式操作系统u c l i n u x 一般而言，嵌入