（通信与信息系统专业论文）多业务电话终端的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 目前，很多传统的! 趔终端功能单一，业务种类很少，没有充分的利用i s d n 的优势。有鉴于此，我们提出了玺些丕电适堡煎( m s t ) 的概念，其设计思想主要 体现在两个方面，一是多业务，提供语音、数据以及短消息等多种业务。二是价 格低廉，使得m s t 适合平常的家庭用户使用。 本文主要介绍m s t 软件系统的设计和实现，提出了两种全新的i s d n 应用，其 一是利用i s d n 补充业务中的用户一用户信令( u u s ) 在d 通道中传送一些终端自定 义的信息，以实现d 通道上的短消息应用：其二是利用w a p 和w m l 的概念，在惦t 的小屏幕上实现b 通道上的网络应用，这两种应用都是m s t 的特点。 m s t 的整体软件方案是在 s d n 协议软件的基础上设计的，主要包括i s d n 相 关协议栈，呼叫处理模块，网络相关协议栈( t c p i p ，p p p 等) ，应用层模块，键 盘输入以及显示接口等。本文的重点是呼叫处理模块以及人机界面( 删i ) 相关模 块的设计和实现。整个m s t 的软件在实现上是一个基于实时操作系统的多任务软 件系统。 ， q 9 3 1 协议是呼叫处理的核心，从协议实现上考虑，往往将o 9 3 1 分为协议 控制和呼叫控制两个子层，m s t 的呼叫处理模块是基于呼叫控制子层的，同时为 应用层提供接口以屏蔽底层呼叫过程的细节。 一个方便实用的人机界面是终端不可或缺的，m s t 也不例外。m s t 人机界面的 设计有其特殊的困难，主要是因为硬件资源的限制( 如显示器，键盘，内存等) 和应用多样化之间的矛盾造成的。因此，在软件设计和代码实现上都要充分考虑 这些因素。户万 关键词：呼叫处理人机界面综合业务数字网终端。7 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t , m a n yt r a d i t i o n a li s d nt e r m i n a l sd i d n tm a k ef 0 1 1u s eo f t h ev i t r u e so f i s d n ，f u n c t i o na n ds e r v i c e so ft h e ma r et o os i m p l e t h e r e f o r e ，w eb r i n gf o r w a r dt h e c o n c e p to f m u l t i s e r v i c et e l e p h o n et e r m i n a l ( m s t ) ，1 1 1 em a i np r i n c i p l eo fd e s i g n i n g m s te m b o d i e si nt w oa s p e c t s ，o n ei sm u l t i p l es e r v i c e s ，i n c l u d i n go fv o i c e ，d a t aa n d ， s h o r t m e s s a g es e r v i c e t h eo t h e ri s l o w e rc o s t s oa st om a k em s tf i tf o rp e r s o n a l s u b s c r i b e r t l l i st h e s i sm a i n l yp r e s e n t st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o r w a r es y s t e mi n m s t i tp u t sf o r w a r dt w ob r a n - n e w a p p l i c a t i o n o f i s d n ，w h i c ha r et h ef e a t u r e so f m s t t h eo n ei ss h o r t m e s s a g ea p p l i c a t i o no nt s d ndc h a n n e l w h i c hm e a n st h a tt r a n s f e r s s o m ei n f o r m a t i o nd e f i n e db yt e r m i n a lo ndc h a n n e lu s i n gu s e r t o - u s e rs i g n a l i n go f i s d n s u p p l e m e n t a r ys e r v i c e s n e o t h e ri sn e t w o r k a p p l i c a t i o n o nbc h a n n e l i m p l e m e n t e db yu t i l i z i n gt h es n l a l s c r e e no f m s t a n dt h ec o n c e p to fw a pa n dw m l t h ew h o l es o l , w a r es c h e m eo fm s ti sd e s i g n e df o u n do np r o t o c o ls o f t w a r eo f i s d n ，w h i c hi n c l u d e sm a n yp a r t s ，s u c ha si s d np r o t o c o ls t a c k ，c a l l p r o c e s s i n g ， p r o t o c o l s t a c kr e l a t i n gt o n e t w o r k , a p p l i c a t i o nl a y e r , k e y b o a r di n p u ta n dd i s p l a y i n t e r f a c e ，e t c t h ee m p h a s i so ft h et h e s i si st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc a l l p r o c e s s i n ga n dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ( v f i m i ) 1 1 1 ew h o l es o f t w a r ei s am u l t i - t a s k s o f t w a r es y s t e mt h a tb a s e so nr e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m q 9 31 i st h ec o r eo fc a l lp r o c e s s i n g i nv i e wo ft h ei m p l e m e n t a t i o no f p r o t o c o l s o t t w a r e ，q 9 3 1c a nb ed i v i d e di n t ot w os u b l a y e r ：p r o t o c o lc o n t r o ls u b l a y e ra n dc a l l c o n t r o ls u b l a y e r c a l lp r o c e s s i n gm o d u l eo fm s ti sb a s e du p o nc a l lc o n t r o ls u b l a y e r , i na d d i t i o n ，i tp r o v i d e si n t e r f a c ef o r a p p l i c a t i o n i no r d e rt om a s kt h ed e t a i lo f c a l l t ac o n v e n i e n ta n d a p p l i e dm m i i si n d i s p e n s a b l et ot h et e r m i n a l ，m s ti st h es a m e b u tt h e r ea r es o m e s p e c i a ld i 伍c u l t i e so n t h ed e s i g no f m m i w h i c ha r em a i n l yc a u s e d ， b y t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nr e s t r i c t i o no f h a r d w a r e r e s o u r c e ( s u c h a ss c r e e n , k e y b o a r d a n dm e m o r y , e t c ) a n dm u l t i p l i c i t yo f a p p l i c a t i o n t h e s ef a c t o r sm u s tb et a k e ni n t o a c c o u n ti nt h ec o u r s eo f d e s i g no f s o f t w a r ea n d c o d i n g k e y w o r d ：c a l lp r o c e s s i n gm m ii s d nt e r m i n a l i i 华中科技大学硕士学位论文 i 绪论 随着通信技术的发展，特别是i n t e r n e t 技术的突飞猛进，用户对非话业务的 需求正在迅速增加。为了满足这种需要，最初是借助于调制解调器，在电话网中 用话音频带传送数据，但由于各种新业务的不断涌现，这种方式的局限性越来越 明显。为了解决这种矛盾，人们就建立了各种专门的网络来完成各种不同的业务， 于是就出现了公众电路交换和分组交换数据通信网络。早期的这些通信网都是为 某种专门的电信业务设计的，它们的传输速率和特性各不相同。虽然某些数据通 信业务在几个不同的网络中同时存在，但不同网络中的数据终端互不兼容，它们 之间的互通只有通过网关设备来实现。这种用许多专门的网络来提供不同电信业 务的方式，无论对于用户还是对于运营管理部门来说，都存在很多缺点。因此， 必须从根本上改变网络上的这种隔离状况，用一个单一的网络来提供各种不同的 业务，实现完全的开放系统互连和通信“1 1 。这种单一的网络就是综合业务数字网 i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ) 。 1 1i s d n 概述 1 9 8 4 年c c i t t ( 国际电话电报咨询委员会) 制定了一整套关于i s d n 的建议， 编为i 系列建议，纳入红皮书。在i 系列建议的开头定义i s d n 为：“i s d n 是由电 话综合数字网( i d n ) 发展而成的一个网络，它提供端到端的数字连接，用以支持 包括话音和非话业务在内的多种业务，用户通过一组有限的标准多用途用户一网络 接口接入到这个网络。” 1 1 1i s d n 的体系结构 图卜l 是对i s d n 体系结构的描述。i s d n 将给用户提供全新的物理连接、数字 用户环路和多种传输业务。 i s d n 的体系结构包括低层功能和高层功能，这些功能支持在i s d n 网内以及通 过互通到其他网络的各种业务。i s o n 中心局把大批用户环路连到数字网，提供低 层( o s i 第1 3 层) 的各种功能o ： 1 ) 电路交换能力 电路交换连接支持b 信道( 数据通道) 上最高达6 4 k b i t s 的传输速率，如果 速率小于6 4 k b i t s ，进行交换前要先做速率匹配。另外，采用半永久连接的方式， 华中科技大学硕士学位论文 电路交换连接也可以支持高于6 4 k b i t s 的传输速率。 i 一一一一一一一一一一一厂 用户间信令 、1 一一一一一一一一一一一l j 图卜1i s d n 体系结构 2 ) 分组交换能力 分组承载业务包括两个功能组：一个是i s d n 网内的包处理功能组；另一个是 为了和其他分组数据网络互通的互通功能组。分组承载业务可以被用于b 通道， 也可以用于d 通道( 信令通道) ，当用于b 通道时，可以采用电路交换或半永久连 接方式。 3 ) 帧模式能力 帧模式承载业务是为了提供大范围的数据应用，其速率可以从很低到很高( 如 2 m b i t s ) ，一个典型的应用是用于局域网( l a n ) 的互连。 4 ) 其它交换能力 其它交换能力用于对宽带连接的支持。 5 ) 共路信令能力 共路信令是i s d n 的中枢神经，在电路交换网中为了建立信息通路，在交换机 之间应传送控制信息即信令( s i g n a l i n g ) 。它包括目标终端地址、通信的建立、 拆线通知及业务内容等。它是实现电路交换必不可少的功能。除了一般的接续业 务之外，实现补充业务也需要共路信令功能的支持。 另外，i s d n 的体系结构中还有一些高层功能( h l f ) 。一般来说，这些高层功 能是由终端来考虑的，但为了支持这些高层业务，高层功能也可以在一些i s d n 的 特殊接点中提供，这些节点往往属于公众网，或者是一些组织通过i s d n 用户一网 络或内部网络接口接入i s d n 的。例如，消息处理业务( 姗s ) 和其他的相关功能 都可能在交换机中提供。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2i s d n 的特点 通信网络接入技术的发展带来了很多新的宽带接入方案，如：d s l 、c a b l em o d e m 等，因此， s d n 也面临很大的挑战，但i s d n 依然得到很多运营商的青睐，这是 因为i s d n 具有一些特殊的优势。 1 ) 通信业务的综合化“1 只需通过一个标准的用户一网络接口以现有的电话线就可以提供电话、传真、 可视图文以及数据通信等多种业务。 2 ) 实现商可靠性和高质量的通信 由于终端到终端之间的通道己完全数字化，噪声、串音及信号衰落失真受距 离与链路数增加的影晌都非常小，并且也易于维护和故障监测，能够迅速地进行 主系统和备份系统的切换或恢复至原状态，此外，还便于导入智能网，提供高级 业务和充实的网络运行管理功能。 3 ) 使用便利 信息通路与信令通路的分离以及信令能够在终端与网之间或两终端之间自由 发送与接收，为开展计费通知等新业务提供了可能性，同时，每个用户接口可以 连接8 台终端，这样既节省了宝贵的号码资源，又使得用户的使用非常的方便。 4 ) 费用低廉 现有电信网盼用户接入端绝大部分以双绞线为主，i s d n 可以充分利用这个资 源，用户只要使用普通的双绞线就可以接入i s d n 网络。 5 ) 通信网中的功能分散 结构简单、透明性、扩充性、可靠性和适应性是i s d n 所应具备的基本条件， 因此，需要将整个通信网按功能化划分为几个部分，使网络功能分散。 1 1 3 i s d n 的发展过程 1 9 7 6 年，c c i t t 就成立了第十八研究组( s t u d yg r o u px v i i i ) ，专门负责i s d n 的研究。到1 9 8 0 年，c c i t t 制定了第一个关于i s d n 的建议( g 7 0 5 建议) ，提出 了i s d n 的基本概念，但是由于当今现存的各种通信网已经耗费了巨大的投资，不 可能将这些网络统统抛掉而重建一个全新的网络，相反，只能在现有网络的基础 上一步步地向i s d n 过渡，在这个过程中，端到端的数字连接可以通过现有网络的 设备来实现，例如数字传输，时分复用交换以及空分复用交换等“1 。 正是由于这个原因，i s d n 作为一个目标网络般可以分为两个步骤来走：第 一步先发展窄带i s d n ( n 一 s d n ) ，目前n - i s d n 有两种不同速率的标准接口：一种 是基本速率入口( b a s i cr a t ea c c e s s ) ，速率为1 4 4 k b i t s ，支持2 条6 4 k b i t s 3 华中科技大学硕士学位论文 的数据信道( b 信道) 和l 条1 6 k b i t s 的信令信道( d 信道) ，又称之为2 b + d ， 它可以满足大部分个人用户以及中小商业用户的需要，用户通过一个单一的物理 接口提供全双工的数字传输以进行话音和数据通信，目前电话网中普遍使用的双 绞线就可以用作基本速率入口；另一种是一次群速率入口( p r i m a r yr a t ea c c e s s ) ， 其速率为2 0 4 8 k b i t s 或1 5 4 4 k b i t s ，分别支持3 0 或2 4 条6 4 k b i t s 的用户信道 和一条6 4 k b i t s 的信令信道，又称之为3 0 b + d ( 或2 4 b + d ) ，这个用来满足那些有 大量通信需求的用户；第二步是发展宽带i s d n ( b - i s d n ) ，以提供高得多的速率， 并使得图像通信和快速数据传输等业务成为可能。 8 0 年代以来，世界上许多国家开展了大量的i s d n 研究与实验，建立i s d n 的 一些关键技术也逐渐得到解决。目前n - i s d n 开始在许多国家开始运行，正式进入 商用阶段。根据1 9 9 9 年的统计，世界上基本接入的用户数达1 4 2 0 万，其中美国、 德国和日本的用户线数居前列，分别为3 5 0 万，3 0 0 万和2 6 0 万个b r i 接口。 我国从“七五”开始对i s d n 关键技术进行攻关，“八五”进一步开展了i s d n 实用化装备的研制，于1 9 9 5 1 9 9 6 年取得突破性进展，先后完成i s d n 成套设备 的研制并进行了现场实验。到目前为止，h j d - 0 4 、z x j i 0 、s p 3 0 、c c 一0 8 和e i m 6 0 1 等几种主要国产程控数字交换机均己具有i s d n 功能。用户一网络终端设备( n t i ) 、 终端适配器( t a ) 、多功能用户终端以及i s d n 路由器等也已陆续实现国产化。o “ 与此同时，网络建设也取得了很大的进展，通过对交换机的硬件改造和软件升级， 我国已建成覆盖全国绝大部分省会城市、沿海地区和内陆经济发达地区的i s d n 网络；北京、上海和广州三个国际接口局也与美国、德国、日本、新加坡、英国、 港澳台等十几个国家和地区开通了i s d n 业务。“” 1 2 课题的总体情况介绍 通信网络一般包括交换、传输和终端三部分。对于一个已经成熟的网络来说， 其用户量的大小，往往取决于用户的需求和运营商对市场的培养，终端设备是真 接面对用户的，因此，终端设备的研制在这些方面起着至关重要的作用。 传统的i s d n 使用方式，往往有以下两种，其一是采用n t i + t e i ，n t i 是第一类 网络终端，t e l 是i s d n 的标准终端，由这种方式可以衍生出目前市面上常用的i s d n 数字话机以及n t ip l u s 加上p o t s 话机等使用方式；另一种方式是t a + t e 2 ，t a 是终端i s d n 适配器，t e 2 是非i s d n 的标准终端，如p c 机，这种方式目前主要的 应用是在p c 机上使用i s d n 来上网。可以看出，这两种方式都没有充分体现i s d n 综合业务的能力，而是更多的体现在i s d n 的数字化上，如数字话机，价格昂贵， 华中科技大学硕士学位论文 但也只实现了普通的语音业务功能。 深圳金大陆通信有限公司和我们合作开发的i b o x 系统是采用i s d n 接入的终 端，主要的设计思想是充分利用i s d n 的d 信道资源，采用 s d n 信令中的补充业 务信令来提供短消息业务，这个系统目前己能良好的运行，但i b o x 系统有一些缺 点，主要表现在这是一个很专用的系统，而且实现的业务也比较简单，不利于用 户市场的推广。武汉精伦电子股份有限公司是一家专门从事电信终端设备及管理 系统研发和生产的高新技术企业。多业务i c 卡公共信息终端( m p i ) 是该公司和 我们合作开发的一款i s d n 基本速率接入的终端设备，它除了可以提供基本的语音 业务外，还可以与专用的接入服务器和管理中心配合以提供网页浏览、电子邮件 收发、信息服务及电子支付等多种电信增值业务。但这款设备是为了一些公共场 合而设计的，用户主要针对电信运行商，而不是普通的家庭。产品设计时功能非 常复杂，采用了很大的触摸式液晶显示屏，还要采取一些防爆措施，这使得这款 设备成本很高，价格非常昂贵。 在上述两个课题的研发过程中，我负责了软件中的呼叫处理和人机接口的相关 模块，整个开发的过程中碰到了很多困难和实际工程中问题，这些问题的相继解 决也带给我很多宝贵的经验和体会。总结这两种终端的优缺点，我设计了一种采 用i s d n 接入的多业务电话终端( m s t ) ，m s t 主要是为普通的家庭用户而设计的， 设计时充分考虑了普通用户的价格承受能力，除了提供普通的电话业务外，还支 持增值业务和网络业务的功能。这篇论文是对其软件设计过程的总结。 华中科技大学硕士学位论文 2i s d n 终端m s t 软件总体方案 多业务电话终端( m s t ) 是一种采用i s d n 接入的终端设备，系统中集成了i s d n 的t e l 和n t l 的功能，它通过u 接口和i s d n 交换机相联，实现了基本速率的 s d n 用户端功能。对用户而言，m s t 除了实现基本的语音和拨号上网业务外，还可以 利用系统提供的短消息功能实现用户短消息收发和很多电信增值业务。另外，目 前已有的很多i s d n 终端设备都采用外接电源供电的方式，这使得用户的使用挺不 方便，也限制了终端设备的使用范围，m s t 系统一个重要的特点是采用交换机的 远端供电方式。m s t 系统的整体软硬件方案是参照i b o x 和m p i 两个系统来设计的。 2 1m s t 系统硬件的简介 m s t 系统的c p u 将采用a r m 7 系列的e p 7 3 1 2 c p u 。它的核心逻辑功能以a r m 7 2 0 t 处理器为基础，a r m 7 2 0 t 处理器带8 k 字节c a c h e 和写缓冲器，并集成了内存管理 单元( 删u ) ，使它能支持复杂的操作系统。e p 7 3 1 2 c p u 具有数字音频解码功能， 支持c o d e c 。另外，还内置有一个4 8 k 字节的片上s r 删，并有个l c d 控制器件。 e p 7 3 1 2 c p u 最大的特点就是超低功耗，它的核操作电压为2 5 v ，在1 8 删z 的工作 状态时功耗仅为3 0 m w 。 硬件系统另一个核心的部分是h f c s + 芯片，h f c s + 是为基本速率接入的i s d n 而设计的，它主要实现s t 接口收发控制，2 8 + d 通道上的h d l c 帧收发控制以及 f i f o 的读写控制等功能。b 通道承载话音业务时，通道是使用透明的传输方式； 当b 通道上承载数据业务时，和d 通道一样，都要遵循h d l c ( 高级数据链路控制) 协议，同一通道上h d l c 帧的读写是独立进行的。h f c s + 的f i f o 由外围的s r a m 组成，b 通道每个方向上最大可存放3 1 帧，d 通道为1 5 帧。 m s t 自带有液晶显示器和键盘，为用户提供输入输出的功能。目前的系统中 键盘采用类似笔记本电脑上使用的那种小型键盘。不同之处在与这个键盘没有驱 动电路，仅仅是将4 6 个按键按照6 8 的矩阵形式连接在一起，因此，系统硬件 需要为键盘提供一套驱动电路，配合键盘驱动程序实现对行的扫描和对列的读取； 考虑到系统采用远端供电，系统的显示器采用单色l c d 显示屏，该显示屏自带驱 动电路，主要是包含三片显示芯片。每片显示芯片带有4 8 6 4 点阵的显存并负责 6 华中科技大学硕士学位论文 该点阵的显示。驱动电路提供了个8 位总线，供外部对显示芯片进行操作。 2 2 整体软件方案的描述 m s t 的软件除了要完成i s d n 本身的协议处理和呼叫控制外，还包括应用程序 及人机接口( 姗i ) 部分。这样的软件系统是一个多任务的软件系统，需要实时操 作系统的支持，在这里采用的是n u c l e u s 实时操作系统。软件结构如图2 一l 所示， 共分五大部分，分别为i s d n 相关协议栈、呼叫处理模块c p ( c a l lp r o c e s s i n g ) 、 p p p 及网络相关模块、应用程序( a p p ) 和人机接口( 删i ) 以及h f c 的驱动程序。 另外，还有操作系统n u c l e u s 和板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e s ) ，这 两部分在图中没有画出来。下面分别介绍这些软件模块。 图2 一im s t 软件总体方案 1 ) i s d n 相关协议栈部分 i s d n 相关的协议栈实现的是i s d n 物理层、数据链路层和网络信令层的相关协 议功能，如图中点划线框所示。其中数据链路层和网络信令层将采用外购的商用 软件来实现，目前市场有很多i s d n 的商用协议软件，如t e l e s o f t 公司的t s l i n k 3 ， l i n k t e c h n o l o g y 公司的 n f o l i n ki s d np r o t o c o ls o f t w a r e 以及o m n i t e l 公司的 i s d n b r i c k s 等，在m s t 系统中，我们假定采用o m n i t e l 公司的i s d n - b r i c k s 软 件包。按e t s i 指定的e u r o i s d n 标准将i s d n b r i c k s 进行适当的修改以满足m s t 华中科技大学硕士学位论文 系统的要求。另外，还要将这些软件包移植到目前的操作系统下。物理层的程序 包括四个子模块，它们和驱动程序一起，功能是为数据链路层提供可靠的物理通 路，这个部分由自己来完成。 2 ) 呼叫处理模块c p 呼叫处理接口c p 是呼叫应用和按q 9 3 1 实现的呼叫控制之间的接口模块。其 主要功能是对应用层屏蔽若干呼叫接续细节，简化语音和数据呼叫的应用接口。 m s t 系统中的呼叫包括三类，分别是普通的语音、数据以及短消息呼叫，其中普 通的语音和数据呼叫包括一个完整的呼叫接续流程，短消息呼叫不包括完整的呼 叫接续流程。c p 模块处理所有这些相关的呼叫，同时为应用层提供简单的呼叫应 用接口。 3 ) p p p 及网络相关模块 b 通道既可作为话音的承载通道，也可作为数据的承载通道。当作为数据承 载通道时，终端要完成与i n t e r n e t 网络专用服务器的拨号连接，只有在连接建立 后，才能在b 通道上进行网络访问。所以，基于b 通道的网络驱动程序必须支持 i n t e r n e t 的拨号上网能力。p p p 及网络相关模块包括两个部分，一个是t c p i p 协议的软件包，另一部分是和i s d n 接口的p p p 部分。t c p i p 协议使用操作系统 自带的软件包来实现，这部分带有套接字( s o c k e t ) 接口供应用层使用。p p p 模 块要完成的工作是为网络应用提供可靠的数据链路连接，它除了要和t c p i p 交互 外，还要和应用层通信。当应用层发起一个网络应用，首先要通过p p p 来拨号， 以建立和i s p 的数据链路，p p p 向c p 发起呼叫请求，呼叫的过程由c p 来完成， 同时c p 将呼叫接续的过程和结果告诉p p p ，p p p 再将拨号连接的过程和结果通知 应用层；拨号成功后，p p p 再和t c p i p 交互，经过l c p ( 链路控制协议) 、n c p ( 网 络控制协议) 以及身份认证等一系列过程来实现b 通道上网络应用。 4 ) 人机接口m m i 相关模块 删i 提供给用户使用m s t 时的输入输出功能，包括键盘输入以及液晶显示屏 的输出在内。删i 相关模块包括应用层模块a p p 、键盘输入监控模块以及显示接口 模块。其中显示接口模块是一套a p i 函数接口，供a p p 调用以驱动显示屏。应用 层软件除了和键盘输入监控模块通信外，还和p p p 及c p 通信，通过p p p 完成数据 呼叫，通过c p 完成语音和短消息呼叫。 j ) h f c 的驱动程序 h f c 的驱动程序由多个接口函数和h f c s + 中断服务程序l s r 和h i s r 等组成。 华中科技大学硕士学位论文 另外，为了支持d t m f 、信号音和振铃音应用，该模块还包括相应接e l 函数和振铃 任务。h f c s + 驱动程序完成对h f c s + 和c o d e c 芯片的访问和控制作用，为上层模 块提供应用服务接口。其功能包括d 、b 通道数据的接入，也就是d 、b 六个通道 f i f o 数据的读与写，对h f c s + 的软件复位，包括h f c s 十的复位和各个f i f o 单独 复位，对s t 接口的激活控制，以及中断处理等。目标系统c p u 的工作频率远高 于h f c s + 的工作频率，因此h f c s + 驱动程序的设计必须充分考虑两种器件工作的 异步性和差异，以确保系统工作的可靠性。 6 ) 操作系统和b s p 目标板系统的软件支持称作板级支持包( b s p ) ，b s p 是与特定硬件相关的软 件功能的集合。操作系统可以提供对于不同c p u 的支持，但对于特定的用户板， 用户还要做相应的地址映射、寄存器的配置以及相关外设的初始化等。值的一提 的是由于n u c l e u s 是一个提供源代码的操作系统，因此程序的调试相对来说简单 一些。 2 3 实时操作系统n u c l e u s 操作系统是管理计算机系统软硬件资源的核心，不同的系统对操作系统的要 求不尽相同。通信系统具有实时性、可靠性以及多任务性的特点，这也给操作系 统提出了相应的要求，m s t 采用的是美国a t i 公司的n u c l e u s 操作系统。它管理 着整个m s t 的软件系统，提供实时的响应，安排、管理并分配资源，同时协调多 任务之间的异步操作。 n u c l e u sp l u s 是n u c l e u s 操作系统的内核，它是为实时嵌入式应用而设计的 一个抢先式多任务操作系统内核，其9 5 的代码是用a n s i c 写成的，这些代码都 提供给用户。从实现角度来看，n u c l e u sp l u s 是一组c 函数库，应用程序代码与 核心函数库连接在一起，生成一个目标代码，下载到目标板的内存中执行。 n u c l e u sp l u s 采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的，通 常由几个c 及汇编语言模块构成，提供清晰的外部接口，对组件的引用就是通过 这些接口完成的。除了少数一些特殊情况外，不允许从外部对组件内的数据进行 访问。另外，n u c l e u sp l u s 除提供功能强大的内核操作系统外，还提供种类丰富 的功能模块。例如用于通讯系统的局域和广域网络模块，支持图形应用的实时化 w i n d o w s 模块，图形化用户接口以及应用软件性能分析模块等“。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 1n u c l e u sp l u s 主要功能模块 1 ) 任务控制 从软件的角度上看，任务是为特定目的而设计的程序段，它是可以独立竞争 系统资源的最小执行单元，这些资源包括c p u 、i o 设备以及内存空间等。从逻辑 的概念上讲，通过内核提供的任务调度功能，多个任务可以呈现并发执行的表象。 不同的任务之间以及任务和i s r 之i 可可以采用操作系统提供的方式来通信或同 步。 任务是在系统运行过程中调用系统提供的函数来动态创建的，每个任务都有 一个入口地址，任务就从这个地址开始执行。任务具有五种状态：运行状态 ( e x e c u t i n g ) 、就绪状态( r e a d y ) 、挂起状态( s u s p e n d e d ) 、终止状态( t e r m i n a t e d ) 以及完成状态( f i n i s h e d ) 。任何时刻有且仅有一个任务处于运行状态，当满足一 定条件时任务的状态会转换，这种转换往往会伴随任务运行的切换过程。任务的 切换过程是由任务的调度来完成的，调度的算法很大程度上影响着系统的运行效 率。任务的调度算法取决于任务的一些属性，如优先级、时间片大小以及抢占性 等，这些属性可以在任务运行过程中修改。 2 ) 内存管理 在操作具体的内存空间时，首先要进行内存地址的映射，即将内存的物理地 址( p h y s i c a la d d r e s s ) 翻译成逻辑地址后供程序使用。n u c l e u s 中所有任务共 享一个地址空间。 内存的分配和释放是内存管理的重要组成部分，内存的分配方式共有两大类， 一类动态内存( d y n a m i cm e m o r y ) 的分配，另一类是分区内存( p a r t i t i o nm e m o r y ) 的分配。一个动态内存池的大小由用户来设定，用户可以在这种内存池中申请变 长的内存块，分配时采用找第一个大小适合块的算法，用户在使用完后要将这些 内存释放。需要说明的是，动态内存池在系统长时间运行后由于内存碎片的增加 会导致分配时间的增加。对于分区内存池来说，它包含有一定数量的定长的内存 分区，这些定长分区的数目以及分区本身的大小都由用户来设定，内存的分配和 释放均以分区为单位来进行。 3 ) 任务间通信 n u c l e u s 提供三种任务间通信的机制，分别为队列( q u e u e ) 、邮箱( m a i l b o x ) 和管道( p i p e ) 。本质上这三种通信机制没有什么截然的区别，但具有各自的特点。 主要体现在传送的消息的大小上，其中队列消息的大小为一个或多个3 2 位的字； 邮箱消息的大小是固定的4 个3 2 位的字：而管道消息可以对字节进行操作，大小 0 华中科技大学硕士学位论文 为整数个字节。 4 ) 任务的同步和互斥 任务的同步和互斥机制包括信号量( s e m a p h o r e ) 、事件( e v e n t ) 以及信号 ( s i g n a l ) 等。其中信号是类似于软中断的方式。 5 ) 定时器 定时器用于任务的计时和超时的处理，n u c l e u s 的定时器服务需要系统硬件提 供周期性的时钟中断。 6 ) i o 驱动 n u c l e u s 提供一套标准的i o 设备的驱动接口。每一个i 0 驱动程序通常包括 初始化( i n i t i a l i z e ) ，分配( a s s i g n ) ，释放( r e l e a s e ) ，输入( i n p u t ) ，输出 ( o u t p u t ) ，状态( s t a t u s ) 以及结束( t e r m i n a t e ) 等请求，另外，有些i o 驱 动是由中断来驱动的，这时候还需要中断服务程序( i s r ) 。 2 3 2 初始化函数 a p p l i c a t i o n i n i t i a l i z e 函数是整个多任务软件的入口函数，在这个函数中 用户可以做一些软件初始化的工作，包括创建任务、消息队列等。 a p p l i c a t i o n i n i t i a l i z e 函数执行完成以后，系统马上进入多任务的执行状态。 而一些基于目标系统的初始化工作在低级的系统初始化文件中完成，这些文件包 括i n t s ，i n t a s m 和i n t s r c 。 华中科技大学硕士学位论文 3 呼叫处理模块的设计与实现 3 1i s d n 协议概述 协议是通信实体在相互通信时必须遵循的一系列规则。i s b n 协议是i s d n 标准 化的重要组成部分，它包括用户一网络接口协议和内部通信协议。另外，i s d n 通 信采用共路信令，用户信息和控弗信令分别在不同的信道中传送，所以用户信息 和控制信令也将遵守不同的协议。 3 1 1i s d n 协议参考模型的描述 i s d n 协议参考模型是根据o s i 网络七层参考模型建立起来的，但由于i s d n 的 特殊性，有一些要求在o s i 现有结构之内不能得到满足，例如“： a ) 多关联协议：i s d n 中b 通道的连接、保持及终止要由d 通道上的协议来控 制。 b ) 多媒介呼叫：i s d n 允许所建立的呼叫可以传送多种信息类型组成的信息 流，如话音、数据、传真和控制信号等。 c ) 多点连接：i s d n 允许会议式呼叫。 基于上述考虑，c c i t t 以o s i 七层模型为基础，为i s d n 设计了一个三维的模 型结构，这个结构描述了i s d n 网络和终端的所有结构，如图3 1 所示。为了便于 图3 - ii s d n 协议参考模型 华中科技大学硕士学位论文 描述，c c i t t 引入了信令平面的概念，分别介绍如下： a ) 用户信令平面( u 平面) ：关于在用户间传递信息的协议组，共分七层，包 括了所有在数据通道上实现数据传递的全部规则。 b ) 控制信令平面( c 平面) ：关于控制信令的协议组，也分为七层，包括了所 有对u 平面连接的控制和对资源的分配和释放。c 平面可以分为一个局部 控制平面( l c ) 和一个全局控制平面( g c ) 。 c ) 管理平面( m 平面) ：管理和协调u 平面和c 平面之间的活动。这个平面不 分层。 一般说来，c 平面和u 平面不直接通信，通信过程是通过m 平面来完成。同 平面内相邻层之间以及c 、u 平面和m 平面之间都采用原语来通信。 3 1 2i s d n 用户网络接口协议 i s d n 用户网络接口协议结构如图3 2 所示。“”“。从图中可以看出，高层 ( 4 7 层) 协议是终端到终端的协议，和网络没有关系，我们要讨论的底层( 卜3 层) 协议。 应用层 袭示层 端到端用 会话层 户信令 运输层 剐络层呼叫控制x 2 5 分组有待研究lx 2 5 分组级 数据链路层la p d ( i4 4 1 ) l x 2 5 l a p b 物理层i 4 3 0 i4 3 i 信令分组遥测电路交换租用电路分组变换 嘴道嘴道 图3 - 2i s d n 用户一网络接口协议 在第一层，b 通道和d 通道复用在同一物理传输媒体上，使用的协议是i 4 3 0 和i 4 3 l ，其中i 4 3 0 对应于基本速率入口，i 4 3 1 对应于一次群速率入口。从第 二层开始，b 通道和d 通道分别使用不同的协议。d 通道的第二层的协议为q 9 2 1 ， 这是为i s d n 的d 通道设计的数据链路层标准，叫做l a p - d ( l i n ka c c e s sp r o t o c o l dc h a n n e l ) ，即d 通道的链路接入协议。第三层的协议和d 通道上传送的信息 相关，其中呼叫控制信令协议为q 9 3 i ，分组数据使用x 2 5 分组级协议； b 通道，可以用作电路交换、租用电路( 即半永久电路) 以及分组交换。对于 电路交换，当用户建立了一条b 通道的电路连接后，网络透明传输第二层以上的 华中科技大学硕士学位论文 协议，所以可以使用用户自己约定的任何协议；租用电路和电路交换相似，二层 以上的协议对网络也是透明的：对分组交换，第二层使用l a p b ( l i n ka c c e s s p r o t o c o l bc h a n n e l ) ，即b 通道的链路接入协议，第三层使用x 2 5 的分组级 协议。 3 i 3i s d n 呼叫控制协议0 9 3 l i s d n 用户一网络接口的呼叫控制协议由q 9 3 0 和q 9 3 1 组成，我国已经指定了 相应的国家标准。q 9 3 l 描述了d 通路第三层的各种功能，规定了在i s d n 用户一 网络接口上建立、保持和清除网络连接的程序。这些程序规定了在基本速率和一 次群速率的d 通路上进行消息交换的过程“4 。 q 9 3 1 是为了实现建立和控制电路交换而设计的。它的主要功能包括： a ) 处理和数据链路层通信的原语。 b ) 产生和处理同层通信的第三层消息，并和交换机的呼叫控制及资源管理实 体通信，共同完成呼叫处理的工作。 c ) 进行必要的资源管理，主要包括b 通道和呼叫参考等。 d ) 保证提供的业务与用户要求一致的检查，如承载能力、地址、底层和高层 兼容性等。 e ) 管理呼叫控制程序中使用的定时器和逻辑实体。 为了实现对呼叫的处理，用户侧和网络侧的第三层对等实体需要通信，这主要 表现为在d 通道上交换消息来实现的。q 9 3 1 规定了消息的一般格式，如图3 3 所示。 l 字节 l 字节 最多2 字节 8765432l 协议标示符 0000 l 呼叫参考值长度 j 呼叫参考值 0 l消息类型 信息单元 信息单元 单字节信息单元( 类型二) 0 信息单元标示符 信息单元长度 信息内容 消息的一般格式 多字节信息单元 图3 - 3q 9 3 1 的消息格式 消息由整数个字节组成，每条消息都包括一个公共部分和些任选的信息单 元。公共部分由3 部分组成，它们的格式对于所有的消息是相同的。 4 耋