（通信与信息系统专业论文）基于sip协议的无线voip电话系统.pdf

摘要 基于s i p 协议的无线v o i p 电话系统 专业：通信与信息系统 作者：张海清 指导老师：周渊平教授 摘要 本论文研制基于s i p 协议的无线v o i p 电话并针对目前i p 电话普遍存在的 一些问题作了相关的优化，使系统的性能得到很大程度的提高。该系统采用模 块化设计，主要模块有： ( 1 ) a r m 嵌入式处理器模块：a r m 嵌入式处理器模块是整个系统的核心， 它主要由s a m s u n g 公司的嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 、韩国h y 公司的s d r a m 芯片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t p h 以及i n t c l 公司的f l a s h 芯片t e 2 8 f 1 2 8 等芯片构成。a r i d 嵌入式处理器模块可以运行嵌入式操作系统和基于嵌入式操作系统的嵌入式 应用程序。 ( 2 ) 音频a d d a 模块：音频a d d a 模块主要由p h i l i p s 公司音频a d d a 芯 片u d a l 3 8 0 构成，音频a d d a 模块可以完成音频信号的a d d a 功能，该芯片 的采样率可高达1 0 0 k h z ，可提供s n r 9 0 d b 的高品质数字或模拟音频信号。 ( 3 ) 有线网络模块：系统选用台湾联杰国际( d a v i c o m ) 公司生产的 d m 9 0 0 0 芯片作为以太网网络控制芯片，该芯片支持t c p i p 硬加速，且芯片 内集成有1 6 k 的双字s r a m ，可减轻c p u 负担，提高整机效能，因此成为嵌 入式系统的网络控制器的首选。 ( 4 ) 无线网络模块：考虑到无线网络部分一般都工作在高频段，为了最 大限度的减少高频模拟部分对系统的干扰，同时，结合处理器$ 3 c 2 4 1 0 本身集 成有u s b 主控制器的特性，系统直接选用鹰泰( e a g l e t e c ) 公司生产的u s b 接口 的无线网卡e t - w u b l 5 0 0 作为w l a n 接入模块，该网卡遵循8 0 2 1 i b 标准， 最高传输速率可达1 1 m b p s ，并已通过w i f i 标准认证。 摘要 利用本论文研制的无线v o l p 电话，模拟语音信号首先经过a d 变换，处 理器模块负责对变换后的数字音频进行处理( 如压缩编码或差错控制编码) ， 经过处理的信号可以通过以太网接口或无线局域网实现网络传输。在接收端， 数字音频信号通过以太网接口或无线网卡进入系统，经过处理器模块逆处理后 再通过音频d a 模块转换为模拟语音信号。 本论文的创新之处：本论文研制的无线v o l p 电话为i p 电话的应用开发提 供了一种新的模式。嵌入式a r m 处理器因其强大的功能而备受青睐。同时，本 系统针对以太网传输i p 数据包存在的时延抖动现象采取了动态缓冲回放技术 实现了在网络时延不超过一定值的情况下可流畅地回放音频信号；针对语音通 信带宽要求不大的特点，系统根据接收方网络丢包情况实现对发送的语音信号 进行约束长度可自适应调整的卷积编码，大大降低了传输过程中( 特别是无线 部分) 产生的误码；对于w l a n 接入部分，考虑到使用的是2 4 g 的公用频段， 系统采用了上行自适应的功率控制，可在保证通话质量的情况下，尽量地减小 发射功率以减少电磁辐射和对别的无线设备的干扰并延长自身电池的使用寿 命。 关键字：嵌入式系统音频卷积功率控制v o l p a b s t t a c t w i r e l e s sv b i pp h o n eb a s e do ns i pp r o t o c o l m a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：z h a n gh a i q i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h o uy u a n p i n g a b s t r a c t t h et h e s i sd e v e l o p sa nw i r e l e s sv o i pp h o n eb a s e do ns i pp r o t o c o la n d o p t i m i z e st h es y s t e mt os o l v et h eu b i q u i t o u sp r o b l e m si nt h ei pp h o n e t h ep h o n e i s b u i l ti nm o d u l a rd e s i g n i n g g i v eap r e s e n t a t i o no f t h em a j o rm o d u l e sa sf o l l o w ： ( 1 ) a r me m b e d d e dp r o c e s s o rm o d u l e t h em o d u l e i sc o n s i s t e do f $ 3 c 2 4 1 0e m b e d d e d p r o c e s s o r , h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 c t p hs y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ( s d r a m ) a n dt e 2 8 f 1 2 8f l a s hm e m o r y t h ea r me m b e d d e dp r o c e s s o rc a nb el o a d e dw i t ha n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ( 2 ) a u d i o a d d ap r o c e s s i n gm o d u l e t h ea u d i oa d d ap r o c e s s i n gm o d u l ei sc o n s i s to fu d a l 3 8 0i cm a i n l y t h e m o d u l ec o u l de n c o d ea n dd e c o d ea u d i os i g n a l t h ec h i p ss a m p l i n gr a t ei su pt o i o o k h za n di tc a np r o v i d eh i 曲q u a l i t ya n a l o ga n dd i g i t a la u d i os i g n a l s ( 3 ) w i r e l i n ee t h e r n e tm o d u l e t h ep h o n es e l e c t sd m 9 0 0 0i cm a d eb yd a v i c o ma st h ee t h e m e tc o n t r o l u n i t t h ei cc h i ps u p p o r t st c p i ph i g hd a t as p e e dw i t ht h eh a r d w a r ea n di n t e g r a t e s 1 6 kd o u b l eb y t e ss d r a mi ni t ，w h i c hc a l lr e d u c ec p ub u r d e na n di m p r o v et h e s y s t e me f f i c i e n c y ( 4 ) w l a nm o d u l e s i n c et h ep r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0i t s e l fi se q u i p p e dw i t hu s bc o n t r o l l e r ，t h ep h o n e i i i a b s 仃a c t a d o p t st h ee t - w u b l 5 0 0w i r e l e s sn e t w o r kc a r dw i t hu s ba d a p t e rf o rc o n n e c t i o nt o t h ew l a n t h ec a r dc o m p l i e sw i t h8 0 2 1i bs t a n d a r dw h i c hc a r lp r o v i d eah i g hd a t a r a t e u p t o1 1 m b s t h ew i r e l e s sv o l pp h o n ed e v e l o p e di nt h i st h e s i sc o l l e c t st h ea n a l o ga u d i o s i g n a l sa n dt h e np e r f o r m sa dc o n v e r s i o nw i t ht h ea u d i op r o c e s s i n gm o d u l e t h e a r me m b e d d e dp r o c e s s o rm o d u l ec o m p r e s s e so rc o d e st h ed a t a a n dt h e n ，t h e e t h e m e tm o d u l eo rt h ew i r e l e s sn e t w o r kc a r dm o d u l et r a n s m i t st h ed a t at oo t h e r p h o n e st h r o u g he t h e m e t a tt h er e c e i v et e r m i n a l ，t h et r a n s m i t t e dd a t aa r ed e c o d e d a n dt h e na l ed ac o n v e r t e di n t ot h ea n a l o ga u d i os i g n a l s t h ei n n o v a t i v ew o r ki nt h i st h e s i si n c l u d e ss e v e r a l w i t ht h ep o w e r f u l p r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s o fa r m p r o c e s s o r s ，t h e t h e s i s a d o p t s a b u f f e r - - s t o r a g e - p l a y b a c kt e c h n i q u et o i n s u r et h e q u a l i t yo ft h er e c e i v e da u d i o s i g n a l s s i n c et h ea u d i os i g n a l sd on o tr e q u i r em u c hb a n d w i d t h ，t h ec o n v o l u t i o n a l c o d e sa r ee m p l o y e di nt h ep h o n ew i t ha na 面u s t a b l ec o n s t r a i n e dl e n g t hw h i c hv a r i e s d e p e n d i n go nt h er e c e i v e ds i g n a lq u a l i t y i nt h ew l a nm o d u l e ，t h eu p l i n kp o w e r c o n t r o lt e c h n i q u ei su s e dt or e d u c et h eb i te r r o rr a t e ，r e d u c ee mr a d i a t i o na n d i n t e r f e r e n c e ，a n de x t e n dt h eb a t t e r yl i f e k e y w o r d ：e m b e d d e dp l a t f o r m ；a u d i o ；c o n v o l u t e ；p o w e rc o n t r o l ；v o l p 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1v o i p 电话开发的背景 经过数十年的快速发展，i n t e r n e t 已经发展成足以和电信网抗衡的全球性 大网。随着数据业务的成功及网络规模的迅速扩大和成熟，电信业务很快成为 i n t e r n e t 力求发展的业务，电信业务中的最大赢利点电话业务，更成为 i n t e r n e t 力求发展的重中之重的业务。白1 9 9 5 年以色列的v o c a l t e c 公司推出 的客户端软件i p 电话“i n t e r n e tp h o n e ”以来，计算机网络中开始出现以i p 为网络层协议进行语音传送的业务。由于计算机网络也称为i p 网，因此这项 技术被称为v o i p 技术。用户只要在多媒体p c 机上安装该软件，就可以通过 i n t e r n e t 网和任何地方安装同样软件的联机用户进行通话，人们把这种在 i n t e r n e t 上实现电话业务称为i p 电话。这项技术上的突破引起全世界的瞩目， 其背后的无限商机也使许多公司进行此项技术的研究，各式各样的v o i p 设备 被迅速制造出来，并立刻进入了商用。 v o i p 电话技术实现了语音在i p 网络上的实时传送。其基本原理是：通过 i p 电话网关或i p 电话终端对语音数据编码进行压缩处理，然后将压缩后的语 音数据按t c p i p 标准进行打包，经过i p 网络把数据包送至接收端，再通过i p 电话网关将这些语音数据包进行解压，恢复成原来的语音信号，从而达到由 i n t e r n e t 传送语音的目的。 v o i p 的优势不仅是成本、资费低廉，更是一种新的通信理念。它的出现改 变了整个电信业的版图，它是一种以网络电话为主并推出相应服务的增值业 务，目前正从早期试验阶段进入到市场推广阶段，这种网络电话的最大吸引力 就是几乎免费的价格。v o i p 的确可以实现高利润，这主要是因为低成本，尤其 是跨国长途电话，并且它能提供诸如统一信息( u n i f i e dm e s s a g i n g ) 等增值服 务。 同时，随着w i f i 标准的改善、8 0 2 1 l 芯片体积不断减小而功能不断扩充， 无线区域网络语音( v o w l a n ) 电话系统的可行性也逐渐提升。另一方面，架构于 w l a n 的网络电话手机，由于只需一台w l a n 基站便能轻易支持多个手机，与具 第1 章绪论 备低成本优势的传统无绳电话机相比毫不逊色。 但是，与传统电信网承载电话相比，通过i p 网络承载语音时，由于i p 网 络的包丢失、延迟和抖动，声音接口造成的声学回声，模拟接口在混合电路中 造成的电气回声等现象的存在，造成v o i p 电话系统的语音质量严重下降。同 时，虽然8 0 2 1 1w l a n 可利用高性能的元件以提供可靠的整体性能，然而，此 媒体的特性在处理语音流量时，仍面对相当严苛的挑战。并且，由于w l a n 使 用免执照频谱，因此必须容忍来自不同外部装置与其他w l a n 的大量干扰，加 上无线信道中还存在着各种其他干扰，再加上多径信道衰落，数据在传输时会 造成失真和损失，从而在接收端使有些数据无法恢复，形成误码。 由上所述，v o l p 电话必将因其低廉的费用和多样化的服务会受到消费者的 欢迎，会得到更加迅速的发展，我们有理由相信无论是国外还是在国内，作为 给用户提供的一种选择，v o i p 电话业务或是多媒体业务必将得到迅猛发展。当 前，对v o i p 电话最关心的问题是它的通话质量，对于这个问题的关心排在第 一位，并且远远超过其他的问题。 1 2v o i p 电话的发展现状与趋势 1 2 1 v o l p 电话的发展现状 v o i p 电话按照业务类型的不同可分为如下三种： 1 、透过i p 电话卡来进行的通话。它一般用于长途语音通讯，使用者可能 永远都不知道他的通话是采用v o l p 技术，但这是当前最常见的一种应用。它 与传统电话相比，在经济上具有明显优势。 2 、p c 至电话( 或p c 至p c ) 通话，是利用p c 上执行的软件电话来进行。通 话者对着与p c 相连的麦克风、手机或无线电话讲话。很明显，这种模式不可 能扩展到普通大众，而仅限于熟悉计算机的用户。使用笔记型及p d a 上执行的 软件电话客户程序，将随着无线数据及语音接取业务的继续融合变得更为流 行。 3 、采用实际v o l p 电话，用户通话时直接连接到i n t e r n e t 或w l a n 。无需 第1 章绪论 用p c 来实现通话，且用户体验类似于常规电话业务，因而使其成为迄今v o i p 技术供货商最感兴趣的市场。 尽管v o i p 在去年获得了广泛关注，但其出货量仍较低，尤其在美国。实 际上，今天的大多数语音通讯都属于电话至电话或p c 至电话。v o i p 发展成 为主流消费性业务烙推动电话业务向设备至电话的模式进行大规模转移，且将 随着低成本、具有丰富特性的v o l p 设备推出而获得大量应用。而这决定于设 备厂商能否提供满足市场需求的价格点、特性及功能的组件，而要满足这些要 求还有待时日。 有意思的是，企业对v o i p 的采用却相对广泛，这是因为企业中通常普及 了以太网络联接，且采用v o l p 能大幅减少电话开销。i t 经理们通常已经拥有 专用数据网络，且能方便地利用该网络实现v o l p 业务。特别是与专用封包交 换机( p b x ) 解决方案相较，i p 电话平均可将企业的服务成本降低2 0 。不仅能 大幅减少通话成本，且v o l p 所采用的会话发起协议( s i p ) 还能使通话双方设定 除语音以外的其它应用，包括语音、视讯和实时消息等。在服务品质( q o s ) 方 面，v o l p 在企业比在家庭中更容易得到满足，因为数据网络是一种封闭系统及 受控环境，且客户端管理也比较简单，只需将电话插入现有数据网络中即可。 v o i p 还为区域内通话漫游提供了一种移植到无线局域网络语音( v o w l a n ) 的 途径。 今天的企业市场主要由少数几家供货商( 如c i s c o 、a v a y a 等) 主导，但包括 主要电话公司在内的其它设备与服务供货商也正转向v o l p ，以占领s o h o 市 场，它们首先推出不受通话时数限制的月费计划，并开放市场来让大家竞争。 如果能得到低成本及高性能设备厂商的支持，同样的电话业务供货商甚至还能 利用其设备及基础设备投资来进入大众市场。更低的成本以及增强特性，例如 统一消息、个人( 与位置无关) 电话号码、电话簿目录、呼叫转移、会议以及其 它特性，将有助于创造更多用户需求。 但v o i p 进入大众市场的速度却比较缓慢，且全球的步伐还不统一。在普 通消费市场上，迄今最成功的v o i p 部署是在日本，由于其它电话业务的高成 本，以及由y a h o ob r o a d b a n d 这样的服务供货商所推出的雄心勃勃的宽频及 v o l p 策略，近几年日本每年新增数百万条v o l p 电话线。而最具吸引力的机会 第1 章绪论 将在拥有高宽频部署率的韩国，以及许多地区缺少传统铜线电话基础设备，并 可能一步跨越到光纤到户( f t t h ) 的中国。v o i p 在美国的采用相对较慢，主要 因为美国的p s t n 电话太便宜，因此几乎没有改变现状的动机。 1 2 2v a i p 电话发展的趋势 “既然v o l p 已被证实是一种可行易用的技术，企业就要寻求可以充分利 用其性能的方式，而方式之一就是将它用在他们的w l a n 上”，i n s t a t m d r 公司的首席分析家a l l e nn o g e e 如是说。其实，与其说w l a n 是v o l p 电话应 用的一种平台，不如说v o l p 与w l a n 是一种理想的新组合。它将行动性及可 能的漫游功能与统的消息传送功能相结合。当越来越多的宽频接取家庭采用 无线接取点时，就可用来实现这种无线手机业务。所有可用数据业务都能被无 线手机存取，因而使其实现地址簿、电子日历、浏览器等多功能整合。w l a n 手机具有可行动、易配置及部署成本相对较低的特点。w l a n 手机部署在一些 垂直细分市场，如医院、大型商店及校园等将具有无可比拟的优越性。 v o i p 电话的另一种平台可能是同时具有蜂窝式及w l a n 功能的双模式手 机。蜂窝式网络厂商可能将w l a n 嵌入到手机中，使其既能作为采用w l a n 的v o i p 手机，又能作为常规手机使用。这样厂商将获得更多利益，因为这样 一来，在用户密集地区只需增加网络频宽而无需扩大整个蜂巢式基础设备，降 低了通讯实现成本。这种电话具有充分的智能，如果有可用的接取点，它即会 将i p 通话透过成本较低的w l a n ，否则透过蜂窝式网络来传输语音通讯。这 种平台的主要设计挑战是：两种模式共处而不互相干扰；可无缝地从一种模式 切换到另一种模式；基于w l a n 的v o i p 通话能满足q o s 要求。 总之，v o l p 作为传递信息的一种新的通信工具，将拥有庞大的用户群，将 会产生巨大的社会效益和经济效益。当前，全球固定电话用户是个庞大的消 费群体，无论是家庭用户还是团体用户，固定电话都是必不可少的主要通信工 具。虽然在发达国家和地区电话普及率已达到8 0 以上的接近饱和状态，但在 发展中国家和贫困落后国家和地区，电话普及率仅在4 0 下，还有很大的市 场潜力。当前无论是发达国家和地区，还是发展中国家和贫困落后的国家和地 第1 章绪论 区，其固话用户都有改变固话功能单一、向多媒体通信转变的愿望和需求。因 此，v o l p 将会成为全球最有市场发展前景的通信方式，将会给全球固话运营商 和固话设备制造商带来无限商机【l - i ”。 1 3 本论文开展的工作 本论文完成的工作主要由以下两部分组成，一部分是：嵌入式无线v o l p 电话的硬件构建及软件实现，另一部分是对上述系统的改进，研制新一代嵌入 式无线v o i p 电话。 1 3 1 嵌入式无线v o i p 电话的研制工作 本论文研制的无线v o l p 电话采用模块化的设计方法，并选用嵌入式l i n t u x 作为操作系统。已完成的嵌入式无线v o l p 电话的主要工作是： l 、系统总体设计与论证。 2 、系统各部分如a r m 处理器、音频处理电路、e t h e m e t 、w l a n 无线接 入、液晶显示模块及键盘电路等器件的选型。 3 、系统各部分电路的电路原理图设计。 4 、参与电路板( p c b ) 的设计，电路焊接与调试。 5 、音频处理电路、键盘电路等底层驱动软件的编写与测试工作。 6 、s i p 协议的移植，i n t e r n e e 接入、w l a n 无线接入部分的应用程序的编 写及测试。 1 3 2 嵌入式无线v o i p 电话的改进 对于嵌入式无线v o i p 电话的改进，其主要工作有： 1 、p c b 电路板的布局设计。 2 、针对以太网传输i p 数据包存在的时延抖动现象采取动态缓冲回放技术 实现了在网络传输时延不超过一定值的情况下流畅地回放音频信号。 3 、对语音信号进行约束长度可自适应调整的卷积编码，大大降低了传输 5 第1 章绪论 过程中( 特别是无线部分) 产生的误码。 4 、w l a n 无线接入部分的上行使用自适应功率控制，在保证通话质量的情 况下，尽量地减小发射功率以减少电磁辐射和对别的无线设备的干扰并延长自 身电池的使用寿命。 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 2 1 集成开发环境简介 前面已经提到，本论文研制的无线v o l p 电话是选用嵌入式l i n u x 为操作 系统的，下面详细介绍一下基于l i n u x 操作系统之上的应用软件的开发方法。 绝大多数的l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 开发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发， 因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即开发板上系统) 运行 开发工具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的 方式。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的开发板叫 做目标板。如下图2 1 所示： 运行l h l u x 的p c 【宿主飘】 图2 1 嵌入式l i n u x 开发模式 开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代 码，( 这种可执行代码并不能在宿主机上执行，而只能在目标板上执行。) 然后 把可执行文件下载到目标机上运行。调试时的方法很多，可以使用串口，以太 网口等，具体使用哪种调试方法可以根据目标机处理器所提供的支持作出选 择。宿主机和目标板的处理器一般都不相同，宿主机为i n t e l 处理器，而目标 板为s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 ，g n u 编译器提供这样的功能：在编译编译器时 可以选择开发所需的宿主机和目标机从而建立开发环境。所以在进行嵌入式开 发前第一步的工作就是要安装一台装有指定操作系统的p c 机作宿主开发机， 对于本系统的嵌入式l i n u x ，宿主机上的操作系统一般要求为r e d h a tl i n u x ， 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 在此，使用r e d h a t9 0 作为开发系统的宿主机p c 操作系统。 在宿主机上我们要建立交叉编译调试的开发环境，同时通常要求宿主机配 置有网络，支持n f s ( 为交叉开发时m o u n t 所用) ，支持t f t p 服务器( 为下 载烧写所用) 等等。下面介绍如何在宿主机上建立交叉编译调试的开发环境。 2 1 1 交叉编译调试工具 构建宿主机上的交叉编译调试环境所需用到的工具软件包括： 1 、b i n u t i l s 工具包 b i n u t i l s 是一组开发工具，包括连接器、汇编器以及其他用于目标文件和 档案的工具。他所包含的工具包如下表2 1 所示： 表2 一lb i n u t i l s 工具包 名称功能描述 a d d r 2 1 i n e把程序地址转换为文件名和行号。在命令行中给它一个地址和一 个可执行文件名，它就会使用这个可执行文件的调试信息指出在 给出的地址上是哪个文件以及行号 a r建立、修改、提取归档文件。归档文件是包含多个文件的一个大 文件，其结构保证了可以恢复原始文件内容 a s 主要用来编译g n uc 编译器g c c 输出的汇编文件，产生的目标文 件由连接器l d 连接 c + + f i l t 连接器使用它来过滤c 和j a v a 符号，防止重载函数冲突 g p r o f显示程序调用段的各种数据 l d 连接器。它把一些目标和归档文件结合在一起，重定位数据，并 链接符号引用。通常，建立一个新编译程序的最后一步就调用它 n m 列出目标文件中的符号 0 b j c o p y把一种目标文件中的内容复制到另一种类型的目标文件中 0 b a d u m p 显示一个或者更多目标文件的信息。 r a n l i b 产生归档文件索引，并将其保存到归档文件中。 r e a d e l f 显示e b f 格式可执行文件的信息 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 b 1 z e列出目标文件每一段的大小以及总体的大小 s t r i n g s 打印某个文件的可打印字符串 s t r i p丢弃目标文件中的全部或者特定字符 2 、g c c 编译器 g c c 是这套工具链的主角，交叉编译所使用的工具也需要g c c ，它完成的 功能如下表2 2 所示： 表2 - 2g c c 软件包 名称功能描述 c p pc 预处理器 g + +c + + 编译器 g a c c 编译器 g c c d u g创建b u g 报告的s h e l l 脚本 g a o v覆盖测试工具，用来分析在程序的 哪里做优化的效果最好 l i b g c c * g c c 的运行库 l i b s t d c + + 标准c + + 库，包含很多常用的函数 l i h s u p c + +提供支持c + + 的库函数 3 、g l i b c 库 o l i b c 库是提供系统调用和基本函数的c 库，比如o p e n ，m a l l o c 和p r i n t f 等，所有动态链接的程序都要用到它。 4 、g d b 调试工具 g d b 是调试软件程序的工具。开发人员可以用它来进行带有g c c 工具的嵌 入式系统的远端调试，并可以通过一系列的端口或t c p i p 连接，进行远距离 调试。 g d b 对于调试目标( 包括对其内存的使用，通信媒介等等方面) 的可适应 性使得它对于目标板的调试而言，常常是唯一的选择。考虑到单芯片高集成度、 基于i p 的嵌入式产品的普及，情况更是如此。在今天，嵌入式设备的复杂性 与日俱增，在进行新的设计时，其供选择的技术也越来越多，要找到一个商业 的开发产品是越来越困难了。而使用g n u 工具将是个很好的选择。g n u 工具 9 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 对各种流行的嵌入式处理器的支持意味着，当我们正在使用的开发工具对我们 将要在下一个设计中使用的处理器不支持时，我们可以减少寻找新的开发工具 所带来的危险。基本g d b 命令见下表2 3 所示： 表2 - 3 基本g d b 命令 命令 功能 f i l e 装入想要调试的可执行文件 k 1 1 l 终止正在调试的程序 l i s t 列出产生执行文件的源代码的一部分 n e x t执行一行源代码但不进入函数内部 s t e p 执行一行源代码而且进入函数内部 r u n 执行当前被调试的程序 q u i t 终止g a b w 越c h 使用户可以监视一个变量的值而不管 它何时被改变 b r e a k 在代码里设置断点，这将使程序执行到 这里时被挂起 m a k e 使用户可以在不退出g d b 的情况下就可 以重新产生可执行文件 s h e l l 使用户可以在不离开g d b 的情况下就执 行u n i xs h e l l 命令 2 1 2 交叉编译调试环境的建立 嵌入式开发环境的整个编译过程大体可以分为以下步骤： ( 1 ) 创建编译环境。在这个过程中，将设置一些环境变量，创建安装目 录，安装内核源代码和头文件等。 ( 2 ) 创建b i n u t i l s 。这个过程结束后，会创建类似a r m l i n u x 1 d 等工具。 ( 3 ) 创建一个交叉编译版本的g c c 。但是，在这个过程中，只能编译c 程 序，而不能编译c + + 程序。 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 ( 4 ) 创建一个交叉编译版本的g l i b c 。 ( 5 ) 创建一个交叉编译版本的g d b 。这个过程结束后，会创建 a r m - l i n u x g a b 。 ( 6 ) 重新创建g c c 。前面创建g c c 的过程没有编译c + + 编译器，现在g l i b c 已经准备好了，所以这个步骤将完善g e e 的交叉编译。 ( 7 ) 重新创建g l i b c 。 2 2 通信协议简介 a r m 处理器与外部设备通信时，采用了大量的通信协议、技术规范，如 e t h e m e t 、8 0 2 1 l b 、s i p 通信协议和r t p 协议等，下面将对这些使用到的协议 做一个简单的介绍。 2 2 1e t h e r n e t 结构体系与通信协议 1 、e t h e r n e t 的发展 e t h e r n e t 是x e r o x 、d i g i t a le q u i p m e n t 和i n t e l 三家公司开发的局域网组网 规范，并于8 0 年代初首次出版，称为d i x l 0 。1 9 8 2 年修改后的版本为d i x 2 0 。 这三家公司将此规范提交给i e e e ( 电子电气工程师协会) 8 0 2 委员会，经过i e e e 成员的修改并通过，变成了i e e e 的正式标准，并编号为i e e e 8 0 2 3 。e t h e r n e t 和i e e e 8 0 2 3 虽然有很多规定不同，但术语e t h e r n e t 通常认为与8 0 2 3 是兼容 的。i e e e 将8 0 2 _ 3 标准提交国际标准化组织( i s o ) 第一联合技术委员会( j t c l ) ， 再次经过修订变成了国际标准i s 0 8 8 0 2 _ 3 。 2 、0 s i 参考模型 i e e e 8 0 2 3 在制定时突出的一个基本思想是将系统进行逻辑划分，并研究 如何将连接在一起。我们知道，i s o 组织将网络按其功能划分为7 个功能层， 每层都完成一特定功能。下图2 2 所示为o s i 参考模型。 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 7 先砬用选择适当熊服务 6 搓供缝鹳转换，数据重新格式化 5 协调应用程痔之间的交互动作 4 擦嫉端蚕9 端数据完整 3 接髌交换功能和籍由逸撵信息 2 建查点到点链路，构虢帧 1 传送b b 特蕊 图2 2o s i 参考模型 下面将分别介绍o s i 参考模型各层的功能与协议： ( 1 ) 物理层是o s i 的第一层，它处于最底层，是整个开放系统的基础。 物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠 的环境。 物理层的主要功能：为数据端设备提供传送数据的通路；传输数据：完成 物理层的一些管理工作。 物理层的一些重要标准： i s 0 2 11 0 ：称为数据通信一一2 5 芯d t e d c e 接口连接器和插针分配 i s 0 2 5 9 3 ：称为数据通信一一3 4 芯d t e d c e 一一接口连接器和插针分配 i s 0 4 0 9 2 ：称为数据通信一一3 7 芯d t e d e c 一一接口连接器和插针分配 c c i t tv 2 4 ：称为”数据终端设备( d t e ) 和数据电路终接设备之间的接口电 路 ( 2 ) 数据链路层 数据链路可以理解为数据通道。连接是有生存期的在连接生存期内，收发 两端可以进行一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通 信联络两过程。这种建立起来的数据收发关系就叫作数据链路。为了弥补物理 层上产生差错，为上层提供无差错的数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。 数据链路的建立，拆除，对数据的检错，纠错是数据链路层的基本任务。 链路层主要功能：链路连接的建立，拆除，分离：帧定界和帧同步；差 错检测和恢复。 数据链路层的主要协议 数据链路层协议是为发对等实体间保持一致而制定的，也为了顺利完成对 网络层的服务。主要协议如下： 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 i s 0 1 7 4 5 - - 1 9 7 5 ：数据通信系统的基本型控制规程。 i s 0 3 3 0 9 - - 1 9 8 4 ：称为h d l c 帧结构”i s 0 4 3 3 5 1 9 8 4 ：称为h d l c 规程要素。 i s 0 7 8 0 9 - - 1 9 8 4 ：称为”h d l c 规程类型汇编。 i s 0 7 7 7 6 ：称为d t e 数据链路层规程 图2 3 所示为i e e e 8 0 2 3 l a n 的体系结构 图2 3l a n 的体系结构 ( 3 ) 网络层 网络层主要功能：网络层为建立网络连接和为上层提供服务，应具备以下 主要功能；路由选择和中继：激活、终止网络连接；在一条数据链路上复用多 条网络连接，多采取分时复用技术；差错检测与恢复；排序，流量控制；服务选 择；网络管理。 网络层协议简介： i s o d i s 8 2 0 8 ：称为d t e 用的x 2 5 分组级协议； i s o d i s 8 3 4 8 ：称为c o 网络服务定义( 面向连接) ； 1 8 0 d i s 8 3 4 9 ：称为c l 网络服务定义( 面向无连接) ； i s o d i s 8 4 7 3 ：称为c l 网络协议； i s o d i s 8 3 4 8 ：称为网络层寻址。 ( 4 ) 传输层 传输层是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次， 具有缓冲作用。当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。传输层还可进 行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。 传输层也称为运输层。传输层只存在于端开放系统中，是介于低3 层通信 子网系统和高3 层之间的一层，但是很重要的一层因为它是源端到目的端对数 据传送进行控制从低到高的最后一层。 传输层它采用分流合流、复用介复用技术来调节上述通信子网的差异， 使会话层感受不到此外传输层还要具备差错恢复，流量控制等功能，以此对会 话层屏蔽通信子网在这些方面的细节与差异。传输层面对的数据对象已不是网 络地址和主机地址，而是和会话层的界面端口。 传输层的协议标准有以下几种： i s 0 8 0 7 2 ：称为面向连接的传输服务定义 i s 0 8 0 7 2 ：称为面向连接的传输协议规范 ( 5 ) 会话层 会话层提供的服务可使应用建立和维持会话，并能使会话获得同步。会话 层使用校验点可使通信会话在通信失效时从校验点继续恢复通信。这种能力对 于传送大的文件极为重要。 会话层主要功能：为会话实体间建立连接； 数据传输阶段；连接释放。 会话层的主要标准有d i s 8 2 3 6 ：会话服务定义和d i s 8 2 3 7 ：会话协议规范。 ( 6 ) 表示层 表示层的作用之一是为异种机通信提供一种公共语言，以便能进行互操 作。这种类型的服务之所以需要，是因为不同的计算机体系结构使用的数据表 示法不同。 i s o 表示层为服务、协议、文本通信符制定了d p 8 8 2 2 ，d p 8 8 2 3 ，d i s 6 9 3 7 2 等一系列标准。 ( 7 ) 应用层 应用层向应用程序提供服务，这些服务按其向应用程序提供的特性分成 组，并称为服务元素。有些可为多种应用程序共同使用，有些则为较少的一类 应用程序使用。 应用层的标准有d p 8 6 4 9 公共应用服务元素，d p 8 6 5 0 公共应用服务元素 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 用协议，文件传送，访问和管理服务及协议。 3 、m a c 帧 ( 1 ) 帧的格式 e t h e m e t 上发送的的数据是按一定格式进行的，并将此数据格式称为帧，如图 2 4 所示。帧由8 个字段组成，每一字段有一定含义和用途。每个字段长度不等， 下面分别加以简述。 i。一 m a e 鞭 图2 4m a c 帧结构 处于m a c 帧开始处的字段为前导码字段，由7 个字节组成。其功能是 使接收器建立比特同步。编码形式为多个l 或0 交替构成的二进制序列， 最后一比特为0 。在这种编码形式下，经过曼彻斯特编码后为一周期性方波。 帧首定界符( s f d ) 是m a n 帧的第2 个字段，其编码形式为1 0 1 0 1 0 1 l 序列，长度刚好为一个字节。该字段的功能是指示一帧的开始。 终点地址字段( d a ) 为第3 个字段，长度为6 个字节。该字段用来指出 帧要发住的工作站。 源点地址( s a ) 处于终点地址字段之后，其长度也为6 个字节。该字段 功能是指示发送该帧的工作站地址。 长度指示符字段为第5 个字段，其长度为2 个字节，用来指示紧随其 后的逻辑链路控匍j ( l l c ) 数据字节的长度，长度单位为字节数。 l l c 数据字段是帧要载携的用户数据，该数据由l l c 子层提供或接收。 填充( p a d ) 字段紧接的l l c 之后，用来对l l c 数据进行填加，以保证 帧有足够长度，适应前面所述的碰撞检测的需要。 帧检验序歹u ( f c s ) 处于帧的最后，其长度为3 2 比特，用于检验帧在传 输过程中有无差错。 ( 2 ) 地址字段 地址字段包括两部分，处于前面的地址字段为终点地址，处于后面的为源 点地址。i e e e 8 0 2 3 标准规定，源点地址字段中第l 比特恒为“o ，这种规定我 第2 章开发环境、通信协议及嵌入式系统简介 们从终点地址的规定中便可获悉。 终点地址字段有较多的规定，原因是一个帧有可能发给某一工作站，也可 能发送给一组工作站，还有可能发送给所有工作站，我们将后两种情况分别称 为组播和广播。 段的格式如图2 - - 5 所示。当该字段第一比特为0 时，表示帧要发送给 某一工作站，即所谓单站地址。该字段第一比特为1 时，表示帧发送给一 组工作站，即所谓组地址。全1 的组地址表示广播地址。 图2 5 字段的格式 4 、网板结构 根据对c s m a c d 访问方法的描