（信号与信息处理专业论文）企业网络电话通信系统中媒体网关控制器的研究.pdf

学位论文主要创新点 一、研制了一种企业网络电话通信系统中的媒体网关控制器， 提出了基于d s p 的媒体网关控制器的设计方案，以t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为核心设计了其硬件电路，采用c 语言编写了其软件，实现了在企 业网内控制网络电话终端通信。 二、研究了s t u n 网络协议和m g c p 呼叫控制协议，并制定了 w m g c p 呼叫控制协议，实现了控制企业网络电话终端的单呼、群呼 和全呼以及跨路由呼叫的功能。 摘要 目前，我国大多数企业内部建有局域计算机网络、电话通信网、程控调度系 统等，并且它们是彼此独立运行的网络，在这些网络建设和使用过程中不仅需要 大量的设备费、线路费和维护费，而且多网的独立布线给维修维护带来不便和环 境造成影响。各企业内部的局域计算机网络主要用于网络办公和企业管理，其传 输速率可达1 0 0 0 m b i t s ，但是网络带宽资源没有得到充分利用，造成了资源的浪 费。因此，急需研制一种企业网络电话通信系统，该系统利用现有的企业内部计 算机网络组成电话通信系统，在充分利用了企业网络的带宽资源的同时，还可以 节省大量的设备费、安装费、线路费以及电话费，也方便设备的维护和维修。 本文研制了一种企业网络电话通信系统中的媒体网关控制器。提出了基于 d s p 的媒体网关控制器的设计方案；以t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为核心设计了媒体网关控 制器的硬件电路，主要包括主控制电路、扩展存储器电路、c p l d 逻辑电路、以 太网接口电路等；优化了s t u n 网络协议和m g c p 呼叫控制协议，并制定了 w m g c p 呼叫控制协议；采用c 语言编写了基于u d p i p 协议和s t u n 网络协议 的通信软件，以及基于u d p i p 协议和w m g c p 呼叫控制协议的呼叫控制软件， 实现了基于w m g c p 协议的呼叫控制和网络电话终端的跨路由呼叫功能；制作 出了实验样机，并进行了实验，达到了设计要求。 该媒体网关控制器采用技术先进，性能好，成本低。由其组成的企业网络的 电话通信系统具有扩音呼叫和电话对讲功能，以及单呼、群呼、全呼三种呼叫方 式，节省大量建设电话网络的设备费、线路费和工程费等费用，提高计算机网络 资源利用率，同时它还可以实现电话终端的跨路由呼叫，使得该电话通信系统的 组网方式更加灵活。该系统不仅可以应用于企业，还可以在教育、科技、电业、 银行和公安系统等方面推广应用，具有显著的经济效益和社会效益。 关键词：媒体网关控制器；t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片；呼叫控制协议；s t u n 网络协 议 1 。 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h en e t w o r k se s t a b l i s h e di nm o s to ft h ee n t e r p r i s e si no u rc o u n t r y , s u c ha st h ec o m p u t e rn e t w o r k , t e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k , p r o g r a m s c h e d u l i n gs y s t e ma r er u n n i n gs e p a r a t e l y i nt h ep r o c e s so fn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n d u t i l i z m i o n ，i tn e e d st op a yal o to fe q u i p m e n tc o s t sa n dl i n ec o s t s i na d d i t i o n ，t h e m u l t i n e t w o r kr o u t i n gb r i n g si n c o n v e n i e n c et ot h er e p a i ra n dm a i n t e n a n c e w i t ht h e p o p u l a r i z a t i o no ft h ec o m p u t e r , m a n ye n t e r p r i s e sh a v ee s t a b l i s h e dt h el o c a lc o m p u t e r n e t w o r kw i t hat r a n s m i s s i o ns p e e do f10 0 0 m b p s t h e s el o c a lc o m p u t e rn e t w o r k sa le u s e df o ro f f i c ea n db u s i n e s sm a n a g e m e n t h o w e v e r , i tr e s u l t si nw a s t i n gal o to f b a n d w i d t hr e s o u r c e t h e r e f o r e ，i ti su r g e n tt od e v e l o pa l le n t e r p r i s en e t w o r kt e l e p h o n e s y s t e m , w h i c hu t i l i z e st h ee x i s t i n gc o m p u t e rn e t w o r kt od e v e l o p at e l e p h o n e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es y s t e mc a nm a k ef u l lu s eo ft h el o c a lc o m p u t e rn e t w o r k b a n d w i d t hr e s o u r c e s i tn o to n l ys a v e sal o to fe q u i p m e n tc o s t si n s t a l l a t i o nf e e s ，l i n e f e e sa n dt e l e p h o n ec h a r g e s ，b u ta l s om a k e st h ee q u i p m e n tm a i n t e n a n c ea n dr e p a i r c o n v e n i e n t t h i sp a p e rf o c u s e so nak i n do fm e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e rb a s e do ne n t e r p r i s e n e t w o r ka n dg i v e st h ep l a no fd e s i g n i n gt h em e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e rb a s e do nd s p c h i p t h eh a r d w a r ec i r c u i t sw i t ht m s 3 2 0 c 5 4 0 2a st h ec o r ei sd e s i g n e d ，i n c l u d i n g m a i nc o n t r o l l e rc i r c u i t , e x p a n d e dm e m o r yc i r c u i t ，c p l dl o g i cc i r c u i t , t h ee t h e r n e t i n t e r f a c ec i r c u i t , a n ds oo n n es t u nn e t w o r kp r o t o c o la n dt h em g - c pc a l l i n g c o n t r o l l e r p r o t o c o l a r ei m p r o v e da n dt h ew m g c pp r o t o c o li sd e s i g n e d t h e c o m m u n i c a t i o ns o f f w a l eb a s e do nu d p 竹pa n ds t u np r o t o c o la n dt h ec a l l i n gc o n t r o l s o f t w a r eb a s e do nu d p i pa n dw m g c p p r o t o c o la 坞d e s i g n e di ncl a n g u a g e t h e r u n i o n so ft h ew i t h i ne t h e r n e tc a l l sa n dc r o s sr o u t i n gc a l l sa l ea c h i e v e d n em o d e l m a c h i n eh a sb e e nm a d ea n dt h ee x p e r i m e n th a sb e e nc a r r i e do u t , m e e t i n gt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t t h i sm e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e rh a sh i 曲t e c h n o l o g y , g o o dc a p a b i l i t ya n dl o w c o s t 。功ee n t e r p r i s en e t w o r kt e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a st h er u n i o n so f s p e a k e r p h o n ec a l la n dp h o n ei n t e r c o m ，a n dt h r e ec a l l i n gw a y si n c l u d i n gs i n g l ec a l l ， g r o u pc a l la n da l lc a l l s rs a v e sal o to ft e l e p h o n en e t w o r ke q u i p m e n tc o n s t r u c t i o n c o s t s , l i n ef e e sa n de n g i n e e r i n gf e e sc o s t s ，a n dc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fc o m p u t e r 天津工业大学硕士学位论文 n e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o n i na d d i t i o n t h i ss y s t e mc 锄d ot e l e p h o n et e r m i n a la c r o s s t h er o u t i n gc a l l s ，m a k i n gt h et e l e p h o n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mn e t w o r km o d em o r e f l e x i b l e i tn o to n l yc a nh eu s e di ne n t e r p r i s e s , b u ta l s oi ne d u c a t i o n ，t e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c ，b a n ka n dp u b l i cs e c u r i t ys y s t e m i th a sr e m a r k a b l ee c o n o m i ce f f i c i e n c y a n ds o c i a le f f i c i e n c y k e y w o r d s ：m e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e r , t m s 3 2 0 c 5 4 0 2c h i p ，c a l l i n gc o n t r o l p r o t o c o l ，s t u nn e t w o r kp r o t o c o l 目录 第一章绪论1 1 1 企业电话通信国内外研究现状1 1 2 本文的目的和意义。1 1 3 本文研究的主要内容。2 第二章软交换技术及媒体网关控制器3 2 1 软交换技术的概念、发展及特点3 2 2 软交换技术的网络分层结构4 2 3 媒体网关控制器5 第三章企业网络电话通信系统及其媒体网关控制器的设计方案。7 3 1 企业网络电话通信系统的设计方案7 3 2 媒体网关控制器的设计方案7 第四章媒体网关控制器的硬件设计1 l 4 1 主控制电路设计1 l 4 1 1t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 数字信号处理器1 l 4 1 2 主控制电路设计1 2 4 2 存储器扩展电路设计1 4 4 3c p l d 逻辑电路设计15 4 4 以太网接口电路设计1 7 4 4 1d m 9 0 0 0 网卡芯片1 7 4 4 2 以太网接口电路设计17 4 5 电源设计l8 4 6j t a g 接口电路设计2 0 第五章媒体网关控制器的协议。2 l 5 1u d m p 传输协议21 5 2s t u n 网络协议。2 3 5 2 1 网络地址转换( n a t ) 技术及其对v o i p 通信的影响2 3 5 2 2s t u n 网络协议及其通信模型2 3 5 2 3s t l 小网络协议的结构2 5 5 3m g c p 呼叫控制协议及w m g c p 协议2 7 5 3 1m g c p 协议2 7 5 3 2w m g c p 协议及其呼叫控制命令。2 9 第六章媒体网关控制器的软件设计：3 3 6 1c c s 3 0 开发环境简介3 3 6 2 系统程序自举启动流程。3 3 6 3 媒体网关控制器的软件设计3 4 6 3 1 媒体网关控制器的主程序设计3 4 6 3 2u d p i p 传输协议的实现3 5 6 3 3s t u n 网络协议的实现3 5 6 3 4w m g c p 呼叫控制协议的实现3 9 6 3 5 网管系统通信软件的设计。4 2 第七章调试与实验4 5 7 1 媒体网关控制器的调试4 5 7 1 1 硬件调试4 5 7 1 2 软件调试4 6 7 2 企业网络电话通信系统调试4 7 7 2 1 企业网络电话通信系统调试环境4 7 7 2 2 企业网络电话通信系统实验内容4 8 7 2 3 实验结果分析5 0 结束语5 l 参考文献。5 3 发表论文和参加科研情况5 5 致谢5 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 企业电话通信国内外研究现状 目前，我国大多数企业内部建有局域计算机网络、电话通信网、程控调度系 统等，并且它们是彼此独立运行的网络，在这些网络建设和使用过程中不仅需要 大量的设备费、线路费和维护费，而且多网的独立布线给维修维护带来不便和环 境造成影响。各企业内部的局域计算机网络主要用于网络办公和企业管理，其传 输速率可达1 0 0 0 m b i t s ，但是网络带宽资源没有得到充分利用，造成了资源的浪 费【l , 2 1 。 企业的电话通信主要采用两种方式，一种是在企业建立程控交换电话通信网 络，这种方式需要支付大量设备费、安装费、线路费和维修费：另一种是利用电 信运营商提供的电话通信网络，这种方式需要支付大量电话费。另外，在一些矿 山、冶金、石油化工、煤炭、水泥、纺织、汽车、机电等企业的大范围、强噪音 的生产场合使用使用一种扩音对讲电话通信系统。该系统具有扩音呼叫和电话对 讲功能，需要铺设专用电话线路，存在线路费用高、使用维修不方便等缺点。 随着数字信号处理技术的发展，高效率、高性能的音频及视频压缩编解码的 出现，以及基于分组网的语音呼叫控制技术的成熟，使得语音和视频信号在以太 网中的实时传输成为可能。美国思科( c i s c o ) 公司研制了一种基于计算机网络 的i p 视频电话通信系统。该系统通过将语音、视频和数据整合为一个平台，使 用户能够通过计算机网络进行语音通信、可视电话会议以及数据传输等，但其系 统价格较高，不具备扩音呼叫功能，不适合大范围、强噪音的生产场合使用，因 此没有在企业中推广应用。 因此，需要采用计算机网络技术和通信技术研制一种企业网络电话通信系 统，该系统利用现有的企业内部计算机网络组成电话通信系统，在充分利用了企 业网络的带宽资源的同时，还可以节省大量的设备费、安装费、线路费和电话费 等，以及维护和维修费。 1 2 本文的目的和意义 本文的目的是采用d s p 技术和软交换技术等研制的一种基于企业内部计算 机网络的企业网络电话通信系统中的媒体网关控制器。以t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为核心 天津工业大学硕士学位论文 设计媒体网关控制器的硬件电路；制定w m g c p 呼叫控制协议，采用c 语言编 写其通信软件以及呼叫控制软件。该媒体网关控制器是企业网络电话通信系统的 核心，它能够实现系统的扩音呼叫和电话通信的控制；内网电话用户与p s t n 外 网用户通信的控制；在保证正常语音的呼叫处理的同时还具有s t u n 服务器功 第二章软交换技术及媒体网关控制器 第二章软交换技术及媒体网关控制器 2 1 软交换技术的概念、发展及特点 软交换是在传统电信网向以i p 为核心的分组网方向发展这一特定背景下， 由工业界提出的网络体系结构，着眼与网络演进。该技术起始应用主要是支持话 音业务，但是随着技术的发展，它将支持基于i p 网络的全业务应用。技术上面 向未来的网络发展，策略上能充分保护运营商已有的投资1 3 j 。 软交换概念一经提出，便得到了业界的广泛认同和重视，i e t f 、i t u - t 等国 际化组织出台了软交换相关的标准和协议。经过几年的发展，软交换技术的标准 化和产业化的工作也取得了长足的发展，一些基于软交换技术的产品已经进入实 用化阶段。 软交换是下一代网络( n g n ) 实现呼叫控制的核心。它为下一代网络具有 实时性要求的业务提供呼叫控制和连接控制功能。广义上的软交换泛指一种体系 结构，利用该体系结构可以建立n g n 框架，主要由软交换设备、信令网关、媒 体网关、应用服务器、综合接入设备冬争组成。狭义上的软交换特指软交换设备， 是基于软件提供呼叫控制的功能实体，定位于控制层面。它在下一代网络中的主 要任务是在不同终端之间建立关系，这些关系可以是一个简单的呼叫，也可以是 较复杂的处理关系。它需处理的业务包括语音业务、数据业务、视频业务和多媒 体业务等。 软交换的核心思想是将传统的电路交换机按功能分解为不同的层次，不同 的层次间通过开放的接口连接。它所实现的功能相当于传统交换机中的呼叫控制 功能。但软交换所实现的呼叫控制功能是与业务无关的，也就是说软交换提供的 是能够处理各种业务的基本呼叫控制，包含呼叫选路、管理控制、连接控制( 建 立会话和拆除会话) 、信令互通( 如从n o 7 到i p ) 等【5 1 。而传统交换机中的呼叫 控制功能是和业务结合的，不同的业务需要不同的呼叫控制功能。 软交换有如下几个技术特点： 1 网络扩展更灵活。软交换技术是一个网络解决方案，而不是像现有的一 些综合交换机那样着眼于节点的解决方案。演进过程中需要支持的新的网络业务 可以由已有的网元或新增的网元来实现，软交换则定义网元之间的标准接口。 2 网络的可靠性与可控性更好。软交换技术是一个分布式和集中式相结合 的解决方案。原则上所有功能都是在网络上分布实现的，特别是网络互通功能一 3 天津工业大学硕士学位论文 般由数量多、功能相对简单的分布式媒体网关完成，呼叫控制和业务控制功能集 中于少数几个软交换设备来完成，这样确保系统的可靠性与可控性。 3 网络容量大。软交换技术的核心在于其中的控制逻辑和网元之间的接口 协议，传送层的功能由相应的底层网络自行解决，不在软交换考虑的范围之内。 这样控制任务比较专一，有利于对通信业务的有效控制。 4 功能强大。软交换技术采用分层的体系结构，与网络的垂直分割相适配， 支持网络的演进和新技术的引入，具有更强大的功能【6 】。 2 2 软交换技术的网络分层结构 国际软交换协会( i s c ) 对基于软交换技术的网络按其功能分为接入层、传 第二章软交换技术及媒体网关控制器 的i p 网络，但是i p 网这种面向无连接的特性就要求我们采取某种手段让它具备 高可靠性和端到端的q o s 保证。 3 控制层 它提供呼叫控制和链接控制功能，并实现各种信令协议的互通和转换，同时 管理支配着网络资源。控制层面是整个软交换网络的核心部分，软交换和s i p 网 络的s i p 服务器等均位于这一层。 4 业务、应用层 任何向软交换提供业务应用的设备都应该属于业务层的范喇7 1 。 2 3 媒体网关控制器 媒体网关控制器( m g c ：m e d i ag a t e w a yc o n t r o l l e r ) 是由i p 电话网关分解 后提出的概念。i p 电话网关可以分解为媒体网关( m g ：m e d i ag a t e w a y ) 、媒体 网关控制器( m g c ) 和信令网关( s g ：s i g n a l i n gg a t e w a y ) 三部分【引。其中，媒 体网关负责媒体流的处理和变换；信令网关负责不同信令间转换匹配；媒体网关 控制器是多种逻辑功能实体集合，提供对媒体网关( m g ) 的接入控制、连接控 制以及资源管理等功能。 为了使i p 电话网关分解后的各分离实体之间能够建立通信，n u - t 和i e t f 联合推出了媒体网关控制协议即m g c p ( m e d i ag a t e w a yc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。媒体 网关控制协议是媒体网关控制器对媒体网关和信令网关进行控制的协议，它是一 种主从协议。媒体网关控制器通过该协议控制和管理整个网络，包括监视网络资 源，控制网内媒体网关之间的通信连接，同时还负责用户认证和网络安全例。 5 天津工业大学硕士学位论文 6 第三章企业网络电话通信系统及其媒体网关控制器的设计方案 第三章企业网络电话通信系统及其媒体网关控制器的设计方案 3 1 企业网络电话通信系统的设计方案 天津工业大学硕士学位论文 太网接口电路、电源和j t a g 接口电路组成。其组成框图如图3 2 所示。 图3 - 2 媒体网关控制器组成框图 在企业网络电话通信系统中，要求媒体网关控制器对电话终端的呼叫控制实 时性很好，本方案选择了具有高速运算功能特点的1 m s 3 2 0 c 5 4 0 2 作为主控制电 路核心。1 r i 公司的1 m s 3 2 0 c 5 4 0 2 是目前比较流行数字信号处理芯片，由于该款 d s p 的存储空间不足、寻址范围大的特点，我们为其扩展包括一块f l a s h 和一 块s d r a m 外部存储器。另外，还搭配了一块c p l d 以完成时钟分频以及对外 部扩展存储器的地址译码工作。 外部存储器包括s d r a m 和f l a s h ，s d r m 为同步动态数据存储器，容 量为2 5 6 k 字，主要用于存放程序运行需要的暂时性数据，f l a s h 为非易失性 数据存储器，容量为2 5 6 k 字，主要用于存放程序代码和常数；c p l d 逻辑电路 采用e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 ，实现d s p 对存储器和以太网接口的控制( 包括地址译码， 网络接口复位和中断等) ：以太网接口电路采用d m 9 0 0 0 以太网控制器芯片，传 输速率为1 0 1 0 0 m b i t s 。负责接收和与自己m a c 地址相匹配的广播数据帧，接 收到有效数据帧后，通过c p l d 向d s p 发起中断，请求处理接收到的数据。电 源为整个硬件电路提供稳定可靠的电压；几a g 接口电路包括t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 和 c p l d 的j t a g 接口。 媒体网关控制器的软件设计上借鉴了软交换的基本思想，即将呼叫控制功能 从媒体网关( 传输层) 中分离出来，通过呼叫控制软件实现基本呼叫控制功能， 从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离 的平面。本方案中，我们优化了m g c p 协议，制定了w m g c p 协议，同时依据 本系统的特点，结合i p 广播技术实现群呼和全呼的功能；采用了基于s t u n 网 8 第三章企业网络电话通信系统及其媒体网关控制器的设计方案 络协议的n a t 路由穿越算法解决了电话终端的跨路由呼叫控制，与其他解决算 法相比，该算法操作简单，容易实现。但是由于m g c p 呼叫控制协议的原协议 复杂度较高，占用c p u 时间较多，所以本方案对其都进行了优化，提高了其运 行效率。 媒体网关控制器的数据处理过程如图3 3 所示。 i 匝四l ：圆圆： j 主控制电路 i 图3 - 3 媒体网关控制器数据处理过程 主控制电路通过以太网接口电路接收的以太网数据帧中提取出i p 包，并根 据u d p i p 协议解析得到来自电话终端或中继媒体网关的状态数据。如果是电话 终端或中继媒体网关发起的注册、通知等，则d s p 按照w m g c p 协议处理，向 电话终端或中继媒体网关发送通知请求、创建连接、修改连接、删除连接等控制 数据。如果是电话终端或中继媒体网关发起的n a t 登录或测试请求，则d s p 按 照s t u n 协议来处理，向电话终端或中继媒体网关返回相应的响应。这些数据 再根据u d p i p 协议打包并最终封装成以太网数据帧发送到目标终端。 媒体网关控制器控制的呼叫过程如下： 1 单呼的过程是主叫电话终端摘机发起呼叫，媒体网关控制器收到主叫电 话终端发来的呼叫请求数据后，先分析被叫号码，若被叫闲则通知被叫，并让主 叫和被叫双方创建连接，主叫用户的语音从被叫的扬声器中播出，进入电话终端 的单向点对点扩音呼叫状态；此时若收到主叫电话终端挂机请求数据，则向主叫 电话终端发送删除连接；媒体网关控制器收到被叫摘机状态数据后，则向呼叫 双方发送修改连接，双方进入双向点对点通话状态；若收到任何一方的挂机状态 数据，则删除连接，通话结束。 9 天津工业大学硕士学位论文 2 群呼和全呼的过程是主叫电话终端摘机发起呼叫，媒体网关控制器收到 主叫电话终端发来的呼叫请求数据后，先分析被叫号码是群呼号还是全呼号，然 后媒体网关控制器依次向群内或全部的空闲电话终端创建连接并让开启扩音，主 叫用户则开始发送广播数据包，此时已经创建了连接的电话用户就可以接收语音 数据分组，主叫语音就可以在被叫的扬声器中播出，进入单向点对多点扩音呼叫 状态。若媒体网关控制器检测到主叫电话终端挂机，则向主叫和被叫电话终端删 除连接，关闭扩音；若媒体网关控制器检测到被叫群或全部的电话终端其中一个 被叫摘机，则向其他被叫电话终端发送删除连接，作挂机处理，此时主叫用户和 摘机的被叫用户开始进入双向点对点通话状态。此后的过程与单呼一致。 3 电话终端的n a t 类型探测以及跨路由呼叫过程是媒体网关控制器配合着 电话终端，互相之间发送若干个u d p 数据包并对数据包做相应处理，让电话终 端来确定出自己位于哪种类型的n a t 路由器之后以及n a t 路由器为本机绑定的 公网映射i p 地址和端口号。当主叫电话终端摘机发起呼叫时，媒体网关控制器 分析主叫和被叫用户所在的n a t 类型，看是否能建立u d p 连接。如果可以，则 给主叫和被叫发送对方电话用户的公网映射地址和端口号，并分别向主被叫电话 用户创建呼叫连接：如果不可以，给主叫返回通信不成功消息，呼叫结束。 l o 第四章媒体网关控制器的硬件设计 第四章媒体网关控制器的硬件设计 4 1 主控制电路设计 媒体网关控制器的主控制芯片选用的是1 r i 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 微处理器具有速度快并且实时性强的特点，同时综合考虑成本、 复杂度及灵活性，并且该款芯片的应用资料比较丰富，可供参考。所以选用其来 完成对整个电路的控制协调工作和算法的执行。 4 1 1t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 数字信号处理器 1 m s 3 2 0 c 5 4 0 2 是t i 公司生产的第五代d s p 产品。该芯片支持定点运算， 其内核电压为1 8 v ，i 0 电压为3 3 v ，采用哈佛体系结构、流水线技术和独立的 硬件乘法器，最高运算速度为1 0 0 m i p s 。t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的基本结构包括c p u 、 存储器以及片内外设与三部分。其中c p u 主要包括算术逻辑单元( a l u ) 、累加 器( a c c ) 、乘累加单元( m a c ) 、移位寄存器和寻址单元等。片内存储器包括 片内r o m 、单向访问r a m 和双向访问r a m 。片内外设包括软件可编程的等待 状态发生器、通用i o 接口、两个多通道串行缓冲接口、主机接口、直接内存访 问控制器、定时器、锁相环等。该芯片采用先进的多总线结构，有l 条程序总线、 3 条数据总线和4 条地址总线【l o l 。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的寻址存储空间为1 9 2 k 字，分成3 个可选择的存储空间： 6 4 k 字的程序存储空间、6 4 k 字的数据存储空间和6 4 k 字的i o 空间。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 体系结构上的并行特点以及其片内r a m 的双存取能力，使得它 能够在任何一个给定的机器周期内同时进行4 个存储器操作：一条指令的读取操 作、两个操作数读操作和一个操作数写操作。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 支持两种方式的中吲1 2 】：一种是由程序指令( i n t r 、t r a p 或r e s e t ) 发起的软件中断，另一种是由物理器件的某个信号发起的硬件中断， 其中硬件中断还分为外部硬件中断和内部硬件中断。t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的内部硬件 结构如图4 1 所示。 天津工业大学硕士学位论文 第四章媒体网关控制器的硬件设计 m rh 掣掣 自拉聃 ii 麓。 l k m 。 “ 嘲“”v i口”#“ il溆“队 # 蚺豫 教i n 。 瓣3 h 1 。 擅， f ：xm 霄 j i i i ”a i ，! 生 i l 雾荐掰 丽l i l t 髓忑 k i 3 i ”罱 冉鹳 i 亡b i z mz ， w 嵋 w x“l ! m 力? g l ” y l t ” 隅黼i ，啦f ”b g k 镬嚣m t l m ， i o * r - - j 茸”一 m i 丽仳芸 ： l - = ：墨d 嚣：i ii 图4 2t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 外围连接电路 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的复位引脚与t p s 3 8 2 3 复位电路相连，该复位电路兼具手动 复位和看门狗复位。将d s p 不用的中断引脚以及b i o 接高电平，以免发生意外。 i i p i e n a 接高电平，h a s 接高电平。j t a g 接口和外部硬件仿真器 s e e d x d s u d b 2 0 通过并口连接，和d s p 的t m s 、，兀) o 、t d i 、t c l k 、t r s t 、 e m u i 、e m u 0 引脚连接【1 4 。 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的数据线和地址线具有独自的功能，并行地址总线a o a 1 3 与r a m 和f l a s h 相连，对外部存储器每一页的地址单元寻址，其中a o a 4 、 a 1 4 a 1 5 与c p l d 相连，完成d s p 对c p l d 内部的寄存器寻址；并行数据总线 d 0 - d 1 6 与r a m 和f l a s h 相连，传输数据位，其中，d 0 - d 7 与c p l d 相连， 逻辑控制对外部存储器s r a m 和f l a s h 的页选。地址线和数据线的接口电路如 图4 3 所示。 图4 - 3t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 地址线和数据线的连接电路 1 3 天津工业大学硕士学位论文 4 2 存储器扩展电路设计 由于1 m s 3 2 0 c 5 4 0 2 内部仅有4 k 的r o m 和1 6 k 的d a r a m ，但是本方案 中需要更大容量的程序存储器和数据存储器。为了满足方案设计需要，外扩了 2 5 6 k 字的s d r a m 和2 5 6 k 字的f l a s h 。存储器接口电路如图4 4 所示。 第四章媒体网关控制器的硬件设计 用于用户代码的加载。 存储器的1 6 位数据线与d s p 的1 6 位数据线相连，c e 、w e 、o e 与c p l d 相连用于片选和读写控制。s d r a m 的a 1 4 - a 1 7 地址线和f l a s h 的a 1 5 _ a 1 7 地址线都接入c p l d 中进行逻辑分析，用于d s p 控制s d r a m 和f l a s h 内部 单元的页选。s d r a m 的u b 与l b 接地，以使s d r a m 的1 6 位数据线进入可读 写状态。 4 3c p l d 逻辑电路设计 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 具有编 程灵活、集成度高、设计开发周期短等优点。本方案使用a l t c r a 公司的m a x i i e p m 2 4 0 t 1 0 0 c 5 可编程器件1 5 1 。 c p l d 逻辑电路包括i o 扩展电路和地址译码电路。通过i o 扩展电路，d s p 可控制以太网接口控制器、d s p 复位等。i o 扩展电路原理图如图4 - 5 所示。 图4 - 5i 0 扩展电路原理图 嫩幽 暖凰 对以太网接口控制器的控制逻辑如下： n e t c s 一d s p i o so r ( n o td s p - a 1 5 ) ； 网片的片选是低电平有效，所以其地址为0 x 8 0 0 0 。 n e t c m d - - d s p - l a ( 0 ) ； 在a 0 = 0 时访问i n d e x 端口，在a = i 时访问d a t a 端口，所以网片的i n d e x 端口地址为0 x 8 0 0 0 d a t a 端口的地址为0 x 8 0 0 1 。 n e t r d = d s p i o so r ( n o td s p _ r w ) ： n e t w e d s p l o so rd s p _ r w ； 对以太网接口的读写使能是由d s p 对i o 空间的读写和自身读写控制同时 1 5 天津工业大学硕士学位论文 决定的。 地址译码电路完成对扩展存储器的s d r a m 和f l a s h 片选和页选。如图4 - 6 所示。 r i 醅j 越；并一一“j 撕剐矿- 、蝴t 绺4 蠼。： 咿一m 坪q # _ 叫 q ：，” ，+ # j 磁铲嘲” ：f 目；。c = ) jd 铲殿s 一州 7 1 “， ，m f 矿” 篙蒜呈黪e i l ：4 一i o h ! 阢p 湃m j e- o - 二a i 匕= ) “艟 您帮一m 广_ z 一躞炉，w域m j 移 p + ；：二二二- 二j 。# n l 辫梆r - ：。；j ，；。； e 5 叫幅紫w c 一= 乏1 ：藏矬 z “ f 越瑶嘲”恻f l a c s 7 i t ，、* t 。o ( r - _ 。r 。一 一j 。 揽搦e 一 存储器片选逻辑如下： 图4 6 地址译码电路原理图 第四章媒体网关控制器的硬件设计 4 4 以太网接口电路设计 4 4 1d m 9 0 0 0 网卡芯片 d m 9 0 0 0 是d a v i c o m 公司研发的一款以太网控制芯片。d m 9 0 0 0 提供了介 质无关的接口，来连接所有提供支持介质无关接口功能的网络设备或其他收发 器。它支持8 位，1 6 位和3 2 位接口访问内部存储器，来适应不同的处理器。 d m 9 0 0 0 物理协议层接口完全支持使用1 0 m b p s 下3 类、4 类、5 类非屏蔽双绞 线和1 0 0 m b p s 下5 类非屏蔽双绞线。这是完全符合i e e e8 0 2 3 u 规格。它的自 动协调功能将自动完成配置以最大限度地适合其线路带宽。还支持i e e e8 0 2 3 x 全双工流量控制【1 6 1 。d m 9 0 0 0 的特点是： ( 1 ) 支持处理器读写内部存储器的数据操作命令以字节字双字的长度进 行； ( 2 ) 集成l o 1 0 0 m 自适应收发器； ( 3 ) 支持介质无关接口； ( 4 ) 支持背压模式半双工流量控制模式； ( 5 ) i e e e 8 0 2 3 x 流量控制的全双工模式； ( 6 ) 支持唤醒帧，链路状态改变和远程的唤醒： ( 7 ) 4 k 双字s r a m ； ( 8 ) 支持自动加载e e p r o m 里面生产商i d 和产品i d i ( 9 ) 支持4 个通用输入输出口； ( 1 0 ) 超低功耗模式： ( 1 1 ) 功率降低模式； ( 1 2 ) 电源故障模式； ( 1 3 ) 可选择l ：l 或5 ：4 变压比例的变压器降低格外功率； ( 1 4 ) 兼容3 3 v 和5 0 v 输入输出电压； ( 1 5 t 0 0 c l v 脚 o sl q f p 封装工艺。 d m 9 0 0 0 提供d m a ( 动态内存存取技术) 来简化对内部存储器的访问。在 对内部存储器起始地址完成编程后，然后发出伪读写命令就可以加载当前数据到 内部数据缓冲区，可以通过读写命令寄存器来定位内部存储区地址。根据当前总 线模式的字长使存储地址自动加一，下一个地址数据将会自动加载到内部数据缓 冲区。要注意的是在连续突发式的第一次访问是读写命令的内容。 4 4 2 以太网接口电路设计 1 7 天津工业大学硕士学位论文 不。 采用d m 9 0 0 0 作为以太网接口电路的控制芯片，以太网接口电路如图4 7 所 d 印- d 1 42 s d l s 。一 臣 肋t m 咄 j d 印d 1 32 5 s d i 啪r z w m d