（通信与信息系统专业论文）嵌入式linux终端系统上实时ip语音通信技术的研究与开发.pdf

原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：日期 本论文使用授权说明 o 仁) 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名锌导师签名： 7 至如 日期：型：翠 上海大学硕士学位论文 摘要 本文研究u c l i n u x 嵌入式语音处理终端的实现，及其在i p 网络上进行实时语音传输 的相关问题。该课题应用于国家8 6 3 消防侦测机器人重大项目，为无线i p 语音传输作 准备。 本文采用3 2 位a r m 处理器，结合p c m 语音编码解码器，f p g a 和以太网控制器 实现全双工的交互式音频通信系统。其中应用u c l i n u x 操作系统管理系统资源，采用其 t c p i p 协议栈，r t p 协议栈实现音频实时传输。 实现高质量的语音通信是本课题的目标，文章从两个方面研究该问题。第一，从i p 网络角度分析i pq o s 因素对交互式语音通信的影响；第二，研究终端系统上的设计算 法，以消除或减轻某些i p q o s 因素对通信质量的影响。 对于i p 网络来说，抖动、延时和丢包是固有的q o s 特性。本文分析了常用的抖动 消除和丢包恢复原理后，提出了自适应多级丢包恢复算法和针对长话音期的话音期内手茸 动处理算法，并进一步提出将这两个新算法结合实现的思想。仿真结果表明，两个改进 算法相结合，比原先算法获得了较低回放延时和播放丢包率。此算法具有定的创新性。 关键字：嵌入式系统，i p 语音传输，实时传输，丢包恢复技术，自适应播放缓冲算法， 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e do nt h er & di s s u eo fa nu c l i n u xb a s e de m b e d d e dv o i c ep r o c e s s i n g t e r m i n a l ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yi s s u eo f r e a lt i m e c o m m u n i c a t i o no v e ri pn e t w o r k i t i sc o n d u c t e dt o i m p l e m e mt h e f i r e f i g h t i n g s e n s er o b o to f “8 6 3p r o j e c t ，a n d i ti sa p r e r e s e a r c hf o r v o i c e t r a n s p o r t a t i o no v e r i pw i r e l e s sc h a n n e l t o i m p l e m e n tt h ed u p l e x v o i c ec o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l ，a3 2 - b i ta r mp r o c e s s o r c o m b i n e dw i t hp c mc o d e c ，f p g aa n de t h e m e tc o n t r o l l e ra l ea d o p t e d a nu c l i n u x e m b e d d e do si su s e dt om a n a g et h et e r m i n a lr e s o r r c e t h er e a lt i m ev o i c et r a n s p o r t a t i o ni s r e a l i z e dw i t ht h eu c l i n u xt c p i p p r o t o c o ls t a c ka n d a l lr t p p r o t o c o ls t a c k t oi m p r o v et h ev o i c ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y , t h ep a p e ra d d r e s st w oa s p e c t s o n ei st o s t u d yt h ei pn e t w o r kp r o p e r t ys u c ha st h ei pq o si s s u e a n dt h e o t h e ri st o s t u d yt h e o p t i m i z i n ga l g o r i t h m sa tt e r m i n a ls i d e d e l a y ，j i t t e ra n dl o s sa l en a t u r a lp r o p e r t i e so f i pn e t w o r ks e r v i c e t h ea u t h o rd e s c r i b e s t h ec o m m o na n t i - j i t t e ra n dc o m m o nl o s sr e c o v e r ya l g o r i t h m am u l t i - r a n kl o s sr e c o v e r y a l g o r i t h ma n da n e w a d a p t i v ep l a y b a c km e c h a n i s m a r ep r o p o s e d a ni d e ao fc o m b i n a t i o no f t h et w on e wa l g o r i t h m si sa l s od e s c r i b e d ar e s u l ti ss h o w e db ym a t l a bs i m u l a t i o n ：t h e c o m b i n e dn e wa l g o r i t h m sr e d u c et h ev o i c ec o m m u n i c a t i o nd e l a ya n di m p r o v et h ev o i c e p l a y b a c kq u a l i t y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，i p v o i c ec o m m u n i c a t i o n ，p a c k e tl o s s r e c o v e r y a d a p t i v ep l a y b a c ka l g o r i t h m 上海大学硕士学位论文 1 1 背景 第1 章前言 从1 9 4 5 年第一台电子计算机诞生到现在，信息技术革命的浪潮席卷整个世界，微电 子技术、计算机和网络通信技术的飞速发展极大地影响了人类的生活空间。因特网技术 的发展，使i p 电话只用了不到五年的时间，就从诞生到成为万众瞩目的焦点；从实验 室中的“玩具”成为吸引越来越多用户和运营商青睐的实用化产品。与此同时，大规模 集成电路乃至片上系统( s o c ) 的发展，使得嵌入式系统设备已经在生产、生活、消费等 领域得到广泛的应用。所有这一切部说明，计算机、通讯以及集成电路技术的结合使3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n s u m e r ) 合一的趋势已经日渐形成。 在软件技术方面，最近几年兴起的开放源代码运动可称为i t 领域的场革命。特别 是l i n u x 操作系统的出现，作为软件开源运动的一个重要分支，极大地推动了其它开源 软件的发展。目前，l i n u x 拥有大量的开发人员和使用者。开源l i n u x 的快速发展和嵌 入式系统的日益复杂化，促进了大量嵌入式l i n u x 操作系统的出现，如r t - l i n u x ，m o n t a v i s t al i n u x ，u c l i n u x 等等。嵌入式l i n u x 操作系统因其具备独特的魅力而备受青睐，其 动力来源于以下优点：源代码开放，开发人员可以依据不同的需求进行内核裁剪，移植 相对容易：支持广泛，几乎全世界的开发人员都在共同完善它，开发时碰到的问题可以 由全世界的开发者来共同解决；无需购买，也没有版权费用：网络性能优异，稳定性好。 其中u c l i n u x 应用广泛，现在已经移植到许多处理器平台，如6 8 k 系列，a r m 系列等。 它的最大特点为不包含m m u ( 内存管理器) ，特别适合于不带m m u 的处理系统。 1 2i p 语音通信介绍 所谓语音通信就是将语音信号从信源传送到信宿再现出来。根据业务类型的不同 可以分为交互式语音通信( 如i p 电话) ，语音广播，语音点播等。根据通信介质的不同 又可分为有线通信，无线通信。根据通信技术的不同还可以分为模拟语音通信( 如调频、 调幅通信) ，数字通信( 电路交换网络通信，分组交换网络通讯) 等等。 i p 语音通信，是应用i p 分组交换网络为通信媒介的语音通信。目前的i p 语音实时 通信业务有多种通信方式，如图表1 1 所示。最原始的方式属于p c 之问的通信( 图中 i 一2 ) ，p c 多媒体应用程序利用i p 网络，将实时采集的语音数据传输到目标p c ，由目 上海大学硕士学位论文 标p c 进行实时回放，此类应用如i m e m e t 语音聊天，实时监控等，属于复杂终端，简 单网络的组合。另种方式是电信级i p 电话( 图中3 4 ) ，此类通信中，终端为传统 p s t n 电话，语音通信需要经过的网络路经是p s t n 网络珀网络一p s t n 网络；其中 由v o i p 网关实现p s t n 网络与i p 网络的互连，进行语音编码转换和通信协议转换，属 于简单终端，复杂网络的组合。还有一种衍生的i p 语音通信方式为p c 到电话的通信( 如 图中1 3 ) 。 i c - t o - p c ：1 2 图表1 - 1 目前常用的几种l p 语音通信方式 1 3l p 语音通信的研究发展状况 2 计算机网络上语音通信的研究开始于7 0 年代，当时主要是基于a r p a n e t 网络平台 ( i n t e r n e t 前身) 进行研究和试验。1 9 7 4 年8 月，在美国南加州大学的信息科学研究所 和林肯实验室之间进行首次分组话音通信实验。1 9 7 7 年i n t e r a c t 工程任务组 ( i e t f i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 颁发了关于分组话音通信协议的讨论文件 r f c 7 4 1 。进入9 0 年代后，特别是近几年，随着i n t e m e t 在全球范围内的兴起和话音编 码技术的发展，i p 分组电话通信技术获得了突破性的进展和实际应用。1 9 9 6 年，经过 各国专家数年的努力，i t u t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 通过了局域网上支持可视电话通信的网络协议，即著名的h 3 2 3 协议。这一协议的推出，成为i p 网络电话系统的公共规范。极大地推动了i p 电话的发 展，使之进入公共电话网服务。与此同时，i e t f 也在积极制订i p 电话通信的网络协议， 就是基于s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 的控制协议。以色列的v o c a l t e c 公司是最早推 上海大学硕士学位论文 出电信级i p 电话网关设备的厂商。其后3 c o m ，c i s c o ，l u c e n t 公司也各自推出i p 网络电 话设各及解决方案。a t & t , b e l la t l a n t i c g t e ，v o c a l t e c ，g l o b a le x c h a n g ec a r r i e r 等公司也 准备或开始直接提供i p 电话业务。 1 4 研究i p 实时语音传输技术的意义 在应用方面，i p 实时语音传输技术是实现i p 电话通信的核心技术之一，是所有i p 电话协议体系的基础技术。由于实时语音通信的q o s 特征与可视电话、实时监控、v o d 等实时图像传输基本上属于同一类型，因此该技术还可以在其它业务类型上得到应用。 以因特网为代表的i p 通信的信息量，现在以指数函数的方式增加。由于在全部信息传 输量中，i p 信息量占极高的比例，因此整个网络应适应于i p 信息量，少量的语言信息 量也应搭载在i p 网上，这比起分别建立i p 网和语音网要经济得多。 在嵌入式系统上研究该技术，具有特别的现实意义。无论在电话应用，视频应用， 监控应用，以及现场传输应用，我们都不喜欢先搬来台计算机，然后再挂接这样那样 的设备来实现所需要的功能。我们需要的是拿过来就能用的设备，而且这种设备由于其 专用性，所以可靠性更好，成本更低，操作更方便。这样的设备无论在生活消费、工农 业生产方面都有广阔的应用前景。 在经济角度，i p 分组传输技术的网络资源利用率本身就比传统的p s t n 电路交换电 话高的多。而当前集成电路技术以及d s p 技术的发展，使得网络电话终端的实现成本 变得越来越低。 技术角度，由于i n t e r n e t 的最初并不是针对实时多媒体传输来设计的，网络延时和 抖动，以及带宽的动态变化对此类通信的影响是致命的，因此在实现语音、图像通信时， 必须研究克服网络本身问题的方法。对多种q o s 类型通信业务的支持是未来网络发展的 必然趋势，第二代i n t e r n e t 就把对实时语音通信的支持作为其重要特征之一。 因此，对该技术的研究，不论现在还是未来，都有现实意义。 1 5 论文主要内容 本文研究交互式i p 语音通信系统，设计开发了a r m u c l i n u x 嵌入式语音处理和通 信终端，实现了语音信号在i p 网络上实时传输。文章分析了i p 网络q o s 对语音实时传 输的影响以，重点研究了如何应用算法来减少i p 网络特征对语音通信的影响。本文研 究的网络拓扑结构如图1 一l 中( 1 - 2 ) 所示，有些不同的是i p 通信终端采用了基于 a r m u c l i n u x 的嵌入式设备。 本文第二章介绍了我们开发的a r m u c l i n u x 嵌入式系统终端。得益于集成电路微电 子技术和嵌入式系统软件技术的快速发展，今天的低成本嵌入式处理平台已经具备足够 的能力来实现v o i p 终端处理系统。我们的a r m u c l i n u x 嵌入式终端系统实现了语音信 上海大学硕士学位论文 号在i p 网络上的实时传输，并在以太网上成功实验通过。文章介绍了终端系统的体系 结构，对音频输入输出系统、a r m 处理器结构、网络传输体系做了详细的描述。文章 还给出了软件体系的分析说明，介绍了u c l i n u x 内核的功能特性，并分析介绍了终端系 统b o o t l o a d e r 软件部分的实现。 话音通信质量是交互式语音通信最为关键的问题。从用户角度来看，最重要的指标 是语音通信的实时性( 要求延时低) 和优质的语音回放质量。为提高语音通信质量，可 以分丽类研究领域。 第一类是在提高网络的服务性能方面的研究，研究i pq o s 的相关理论，以及i p 网 络服务体系的建设。因此从某种角度来说是网络营运商在网络建设时要解决的问题。由 于各种应用的通信量各自的特点，它们对网络服务要求是不相同的。例如多媒体数据流 与f t p 文件传输对网络的要求就很不一样。最初的i p 网络不是专门为多媒体实时传输 设计，要使i p 网络能够顺畅的承载实时多媒体数据，就需要对i p 网络体系结构作出一 定的修正。目前i e t f 等提出了d i f f s e r v 和i n t e r s e r v 体系结构来提高i p 网络的q o s 性 能。 本文第三章介绍了衡量通信质量的i p 网络q o s 质量指标，并对d i f f s e r v 和i n t e r s e r v 网络体系做出简要的介绍、分析和比较，说明了网络带宽、延时、抖动等i pq o s 因素 对语音实时传输的影响。文章介绍了r t p 协议机制，分析了盯p 协议在实时传输方面 相对其它传输协议的优越性。 第二类研究是在终端系统上的算法研究，其主要目的是消除或减轻i p 网络服务的某 些不足对通信质量的影响。抖动、延时和丢包是i p 网络的固有特性，只能用算法来减 少它们的影响而无法消除它们的存在。抖动是由于语音数据包传输延时的不确定性引起 的，丢包是由于网络的可靠性引起的，如网络拥塞、误码等等导致的丢包。延时因素直 接导致语音通信的延时，给使用者带来不便。抖动导致数据包接收时的不规则，将极大 的影响语音回放质量。语音实时传输往往不采用重传策略，丢包导致的信息丢失将影响 语音回放质量。 本文第四章讨论针对上述q o s 问题的抖动消除、丢包恢复算法。介绍了常用的抖动 消除算法和丢包恢复算法的实现原理，并在此基础上提出了自适应多级丢包恢复算法和 针对长话音期的话音期内抖动处理算法，并在此基础上提出了将这两个新算法结合实现 的思想。实验仿真表明，改进算法，比原先算法获得了较低回放延时和播放丢包率，为 语音通信增加交互性的同时获得较好的语音通信质量。 k 海大学硕士学位论文 第2 章系统的软硬件平台 本章首先简要介绍了嵌入式系统相关概念，接着结合实验开发的一种实时语音传输 终端方案介绍基于u c l i n u x 的语音i p 实时传输系统的硬件体系结构，讲述嵌入式处理器 a r m 的一些特点以及实现数字音频采集的相关硬件技术。然后介绍该系统的软件体系 结构，讲述了嵌入式操作系统u c l i n u x 的一些特征以及硬件相关驱动程序的编制。 2 1 嵌入式系统介绍 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在设备中的微处理机系统，此类 计算机一般不引人注意，典型的如微控制器( 即单片机) 、微处理器和d s p 等。嵌入式 系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、能适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 严格的讲，嵌入式系统并不是最近才出现的新技术，嵌入式系统应用的基本技术基 本上是p c 技术的一个缩影，因此有人把它称为微型计算机。它的出现，是随着微电子 技术、集成电路技术和存储器( d r a m ，f l a s h ) 技术的发展，以及计算机技术、微型 操作系统技术、编译技术的发展分不开的。嵌入式系统与通用计算机系统既有相似之处， 也有明姓的区别。通常，嵌入式系统中的系统程序( 包括操作系统) 和应用程序是浑然 一体的，这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映像文件( 通常称为i m a g e ) ，这 个二进制映像文件被固化在系统f l a s h 、r o m 甚至硬盘中，在系统复位后自动执行。此 外，嵌入式系统开发与p c 系统开发不同。嵌入式系统的开发属于交叉开发，即在其它 系统平台( 例如w i n d o w s 或l i n u x 平台的p c 或工作站) 上开发，而p c 应用开发可以 直接在当前系统上进行的。因此，嵌入式系统开发需要交叉编译器和恰当的调试系统。 目前嵌入式系统已广泛应用于国民经济的各个行业如通信设备、仪器仪表、汽车 船舶、航空航天、军事装各、消费类产品等。嵌入式计算机与家用电器及各种工业设备 的结合使计算机无处不在。 2 1 1 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是相对于通用计算机如p c 机而言的，嵌入式工业与高度垄断的p c 工业 不同，它是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操 作系统能够垄断全部市场。嵌入式系统种类繁多，应用不胜枚举，嵌入式系统领域的产 品、技术和应用层出不穷。而社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的 嵌入式处理器核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。 上海大学硕士学位论文 嵌入式系统具有如下特点： 计算机芯片技术的进步是嵌入式系统不断发展的基础。很多嵌入式的c p u 及外 围器件也是从通用计算机技术发展而来的。如人们熟悉的早期x 8 6 微处理器虽然不再 用于p c 系统了，但在嵌入式系统中却还广为使用。c p u 性能不断提高，存储器密度不断 加大，使得嵌入式系统的硬件资源相当充足，其上可以运行各种软件。 软件是实现嵌入式系统功能的关键。系统软件要求固化存储，软件代码要求高 质量、高可靠性，系统软件( o s ) 的高实时性是基本要求。在通信设备中，大量的嵌入 式系统需要在无人干预的情况下长期不问断运行，有些场合如电信设备要求达到 9 9 9 9 9 9 的可用性。 嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方 面均受到应用要求的制约，因此，在器件选择、电路设计等方面都有严格的要求。 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备标准的一种或 多种网络通信接口，并需要相应的网络协议软件如t c p i p 的支持；许多嵌入式设备还 需具备i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口，同时也需要提供相应的通 信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件的特定编程模式，如w e b 或无 线w e b 编程模式，还需要相应的浏览器。 嵌入式软件的开发方式不同于通用的计算机软件开发方式。嵌入式系统软件开发 一般采用交叉开发方法，在u n i x 或w i n d o w s 主机平台上开发与之连接的目标机。开发 环境包括自己的可剪裁的微内核实时多任务操作系统，主机上的编译、调试、查看等工 具以及利用串1 ：3 、网络、i c e 等主机与目标机的连接工具。特点是有各种第三方的开 发工具可以选用，像“逻辑分析仪”、b d m ，j 1 a g 调试器、仿真器、代码测试工具、源 码分析工具等，支持多种3 2 位目标机体系结构，支持多处理器并行开发。 2 1 2 嵌入式系统的构成 嵌入式系统由硬件系统，操作系统和应用软件组成 硬件系统。硬件系统由嵌入式处理器及各种外围接口电路构成。 嵌入式处理器部分是硬件电路的核心，主要分为四类：嵌入式微处理器，嵌入式微控 制器，嵌入式d s p ，嵌入式片上系统( s o c ) 。外围电路包括r o m f l a s h 、r a m 以及 各种通信接口如h d l c 、u s b 、u a r t 、i m a 、p c m c i a 、p c i 、s p i 等。 操作系统。在嵌入式系统中一般都要采用嵌入式实时多任务操作系统( r t o s ) ，r t o s 一般包括实时内核( k e r n e l ) 及用户特定的板级支持包( b s p ) ，它介于硬件系统及上层 软件之间，为所有的上层软件提供一个多任务的实时操作系统环境及一整套a p i 。r t o s 主要强调任务执行和切换的确定性，以适应工业应用的需要，同时由于r t o s 提供了对 硬件系统的高度抽象，上层所有的软件开发都与硬件细节无关，从而可大大提高软件的 上海大学硕士学位论文 可移植性，加快开发速度。目前，商业化的r t o s 种类繁多，代表产品有c h o r u s 、 l y n x o s 、o s 9 、o s e 、p s o s 、v r t x 、v x w o r k s 、q n x 、n u c l e u s 、c m x 等。近年来， 随着自由软件的蓬勃发展，嵌入式l i n u x 操作系统越来越受开发者欢迎。出现大量的 基于l i n u x 的嵌入式系统内核，如r t l i n u x ，u c l i n u x 。h a r d h a t l i n u x 等。 网络软件和应用软件。网络软件实质上也属于应用软件范畴，其特点是能为更高层 的应用软件提供网络服务，具有相对的独立性。随着网络技术的发展，很多嵌入式设备 都要求有联网能力，因此网络通信软件就成了这些嵌入式系统软件必备的重要构件。采 用嵌入式l i n u x 操作系统的优势就在于l i n u x 集成了强大的网络协议栈。应用软件则是 针对特定的应用需求开发的软件，完成嵌入式系统的主要功能，应用软件的设计者一般 是该特定应用技术方面的专家或者至少对该领域有一定研究的人员。相对于l i n u x 系统， 网络上已经有许多公开源代码的应用软件供大家共同研究，这些软件相对成熟，有些甚 至经过了成千上万用户测试和验证。 2 2 硬件系统 图表2 1 系统的硬件框图 如图表2 1 是本实验开发系统的硬件功能示意图，该系统采用s a m s u n g $ 3 c 4 5 1 0 b 低成本3 2 位a r m 嵌入式处理器。1 6 m b y t e ss d r a m 芯片h y 5 7 v 6 4 3 2 2 0 和 处理器内置的8 k b y t e s 可配置s r a m 组成系统随机存储区；4 m b y t e sf l a s h 芯片 a m 2 9 l v l 6 0 d b 作为系统程序和数据存储区，i e e e s 0 2 3 兼容以太网通信接口和两路 u a r t 串1 ：2 1 为通信接口；p c m 编码解码器( 下文统称c o d e c ) 芯片t l v 3 2 0 a i c l l 0 7 用于语音信号的模数、数模转换和编解码； a l t e r ac y c l o n ef p g a 芯片e p l c 3 t o o 用于 p c mc o d e c 到处理器的接口转换，并实现对p c m 信号流进行缓冲，以及中断报告的 发生。 上海大学硕士学位论文 从数据流的角度描述这个系统：音频信号从麦克风输入，p c mc o d e c 对输入的模 拟信号进行数字化，即经过采样，量化和编码，将数字编码信号串行输出。由于p c m 编码信号是连续输出的，若直接由微处理器( m c u ) 读取这些数据将导致大量的系统计算 开销，从而大大降低m c u 的效率，故在p c mc o d e c 与m c u 中间接入一个f p g a ， 用于串行接收p c m 码流，将其缓冲，积累到一定程度中断通告m c u ，由m c u 批量从 f p g a 读取p c m 数据。 在m c u 的协作方面，更多的依赖软件编程来实现中断处理和音频信号的网络传输。 该软件系统为u c l i n u x 嵌入式操作系统，该系统的管理下，m c u 收到f p g a 的中断请 求后读取p c m 码流，将其暂时存储到s d r a m 中，然后尽可能快的调用网络传输软件， 将p c m 码流打包成r t p 协议数据包，通过m a c 接口将数据从以太网传输到目标机器。 2 2 1a r m 核心处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 及其存储系统 $ 3 c 4 5 1 0 b 芯片包含一个a r mr i s c 处理器内核( a 州7 t d m i 内核) ，8 k c a c h e s r a m ，1 2 c 总线，1 0 1 0 0 m 以太网控制器( 包含2 路d m a ) ，2 路h d l c ( 包含 4 路d m a ) ，2 路g d m a ，2 个异步串口，2 个3 2 位计数器，1 8 个可编程i o ，中断控 制器，d r a m 时序控制电路。该处理器通过恰当配置可以支持b i g e n d i a n 和l i t t l e e n d i a n 模式，本系统工作在l i t t l e e n d i a n 模式。 该处理器集成了t h u m b1 6 位精简指令集。t h m n b 达到的卓越的代码效率意味着对 存储器容量需求的降低，使得利用1 6 位宽度的存储器可以达到3 2 位存储器才能达到的 高性能。处理器还包含a r m 的e m b e d d e d l c ej t a g 软件调试逻辑。使用了a r a m 的软 件开发工具包和m u l t i i c e 接口，e m b e d d e d l c e 逻辑允许源代码级调试、代码下载和 数据断点。为更好的胜任多任务嵌入式系统开发和对商业嵌入式操作系统的支持，a r m 处理器内核实现了7 种运行模式，如表格2 一l 所示： 表格2 1a r m 处理器的模式 处理器模式描述 用户模式( u s r )正常程序执行的模式 中断模式( i r q )用于通常的中断处理 快速中断模式( f i q )用于高速数据传输和通道处理 管理模式( s v r l 供操作系统使用的一种保护模式 数据访问中止模式( a b t )用于虚拟存储和存储保护 未定义指令中止模式( l i n d )用于支持通过软件仿真硬件的协处理器 系统模式( s y s )用于运行特权级的操作系统任务 除j 用户模式之外的其它6 种处理器模式称为特权模式( p r i v i l e g e dm o d e s ) 。在这些 上海大学硕士学位论文 模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意的进行处理器模式切换。其中，除 系统模式外，其它5 种特权模式又称为异常模式。 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或异常处理过程进行 切换。大多数的用户程序运行在用户模式下。该模式下，应用程序不能够访问一些受操 作系统保护的系统资源。应用程序也不能直接进行处理器模式的切换。但需要进行处理 器模式切换时，应用程序可以产生异常处理，在异常处理过程中进行处理器模式的切换。 这种体系结构从硬件上支持现代操作系统资源控制和保护的特点。 但应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常模式中都 有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，从而保证在进入异常模式时，用户模式下 的寄存器( 保存了程序运行状态) 不被破坏。 系统模式并不是通常异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器组。但 是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换。 该模式主要供操作系统内核任务使用。通常操作系统的任务需要访问所用的系统资源， 同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，从 而保证当异常中断发生时任务状态不被破坏。 作为r i s c 微处理器，a r m 拥有丰富的寄存器资源。a r m 的每一种处理器模式中 有一组相应的寄存器组。任意模式下，可见的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 一r 1 4 ) 、 一个状态寄存8 ( p s w ) 及程序计数器( p c i 。在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同 一个物理寄存器( 称为未备份寄存器) ，有些是各模式独立拥有的物理寄存器( 称为备 份寄存器) 。未备份寄存器包括( r 0 r 7 ) ，由于处理器模式切换前后使用相同的物理寄存 器，可能会造成寄存器中数据的破坏。未备份寄存器没有被系统用于特别的用途，任何 可采用通用寄存器的应用场合都可以使用未备份寄存器。对于备份寄存器r 8 一r 1 2 来说， 模式切换前后使用的不是同一个物理寄存器，如r 8 f i q ，r 钆f i q ， r 8 一u s r ，r 9 一u s r 分别代表在f i q 和u s r 模式下的r 8 和r 9 寄存器。若当前u s r 模式，则当快速中断 发生时，就不必保存现场，直接执行f i q 中断处理程序，从而使中断处理过程非常迅速。 2 2 2 音频输入输出系统 音频输入输出系统由f p g a 与p c mc o d e c 构成。该系统中，p c mc o d e c 采用 t i 公司的t l v 3 2 0 a i c l1 0 7 芯片。它是一个全双工的c o d e c ，主要功能是将输入的模 拟音频信号数字化并且编码成p c m 码流，同时将p c m 码流信号解码，数模转化成音频 信号。该模块的原理框图如图2 1 左半部所示。其中p c m l ，p c m o 分别是输入和输出 c o d e c 的p c m 信号线，p c m s y n c 是同步时钟信号线，由外部提供，每一个同步时钟 代表一个p c m 编码的开始，该c o d e c 产生的p c m 码流是8 k h z 采样的8 位码，故 s y n c 信弓频率是g k h z 。c l k 信号用于p c m 码组中的位同步，其频率是2 0 4 8 m h z 。 上海大学硕士学位论文 由于p c m 编码信号是连续输出的，若直接将其接到m c u 将会产生频繁的中断请求， 从而大大降低m c u 的效率，故在p c mc o d e c 与m c u 中间接入一个f p g a ，用于串 行接收p c m 码流，并且进行串并转换和缓冲处理，待缓冲数据积累到一定程度后中断 m c u ，将p c m 数据从f p g a 读取到m c u 。 图表2 2 音频外围系统框图 f p g a 的实现框图如图表2 2 的右半部分所示，双端口先入先出模块用于缓冲p c m 码流，这是一个8 位宽的缓冲区，故f p g a 实现串并转换和并串转换模块来适配p c m 接口，此外，还有一个同步控制模块实现对p c m 接口收发数据的同步。为了提高数据 传递的效率。该f p g a 模块实现中断控制接口，在输出缓冲区数据积累到一定程度后， 通过中断请求m c u 读取数据缓冲数据。 图表2 - 3f p g a 实现的系统框图 1 4 上海大学硕士学位论文 f p g a 的上述实现是在a l t e r a 的q u a r t u s l l 2 2 版上，结合v e r i l o g 硬件描述语言开发 的。图表2 3 给出了f p g a 顶层逻辑框图，其中的g e n e r a l 模块是核心，是上述逻辑功 能的实现者。 2 2 3 系统的通信功能 本系统有1 个1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口和2 个串1 7 ：1 通信接口。其中以太网接口实 现高速数据传输。如音频实时传输，数据文件下载等。由于$ 3 c 4 5 1 0 b 处理器内置了以 太网m a c 控制模块，因此在系统设计时，只需通过以太网物理层p h y 控制芯片外扩即 可。系统中的两个u a r t 串口模块，主要用于系统监视。由于系统没有显示模块，对目 标系统的监视必须通过一定的通信接口传输到第三方设备上显示，该功能主要用于开发 调试。本系统采用u a r t o 将系统的输出信息以1 9 2 0 0 b p s 的速率传输到p c 上，再通过 p c 软件超级终端h y p e r t e r m ( w i n d o w s ) 或m i n i c o m ( l i n u x ) 显示嵌入式目标系统的输出信 息。 三黧哥m i a c g l i 接。地址总线刊控制器k 一接口 控制总线刊 图表2 _ 4 以太网外围结构示意图 2 3 系统软件平台u c i n u x 嵌入式操作系统介绍 本系统采用u c l i n u x 嵌入式操作系统管理全部的系统资源。u c l i n u x 是标准l i n u x 的 一个分支版本，主要应用于嵌入式系统的控制、通信、监控等领域。u c l i n u x 具有很强 的可移植性、可裁剪性，运行稳定有一定的实时处理能力。从成本和实际需求考虑， 嵌入式领域中广泛应用的a r m 7 t d m i 内核处理器，c o l d f i r e 处理器等，均采用无 m m u 结构。对这类处理器的支持，就是u c l i n u x 最大的特点。 2 3 1u c l i n u x 的分层结构 u c l i n u x 操作系统的软件分层结构如图表2 5 所示，系统可以分为驱动程序层( 硬 件支持层) ，内核层和应用程序层。应用程序是运行在u c l i n u x 操作系统最高层的一个庞 大软件集合，包括用户程序和系统程序。系统调用接e l 是应用程序层与内核之间联系的 接口。在l i n u x 操作系统中，用户应用程序不能直接访问系统硬件设备，只有内核和驱 动程序才有能力访问硬件资源。而上层应用程序必须通过系统调用接口来实现对底层硬 上海大学硕士学位论文 件的操作。内核是操作系统的灵魂，它实现进程管理，内存管理，文件系统管理以及设 备驱动程序管理，负责硬件管理和网络数据包的接收和发送。硬件包括系统运行所需要 的所有物理资源，如c p u ，内存，外存( 本系统是f l a s h ) 存储器，c o d e c 和网络设 备等。 厂翼毛面订i 语音传输程序 应用程序l 矍壁l i r t p r t c p 系统调用接口 厂；i 五习 l 2 掣i 内存管理 i 进程管理l 内核l 文件系统l 进程调度l 驱动程序板级支持包 硬件lm ，c 【j , 。s d 以r a 太m , 控f 制l a 嚣s h 等, 图表2 - 5 软件系统框图 2 3 2u c l i n u x 内核介绍 标准l i n u x 内核包括内存管理、进程的管理和调度、文件系统和网络协议栈等部分 组成。u c l i n u x 也包括这几个部分，它与标准i a n u x 最大的区别是不支持m m u ，因此 u c l i n u x 的内存管理与标准l i n u x 有很大的区别，最显著的是它不支持虚拟内存管理， 这一特点导致了u c l i n u x 在多任务实现方面，也表现出与标准l i n u x 很大的区别。作为 l i n u x 的一个分支，u c l i n u x 当然包括l i n u x 的最大吸引力，即对t c p i p 网络协议栈的 完整支持。此外，与标准l i n u x 一样，u c l i n u x 也采用了虚拟文件系统，因此可以针对 不同应用要求移植不同的文件系统。例如：对f l a s h 内存管理时，可以采用j f f s 2 文件系 统，要共享网络上的数据时，可以采用n f s 文件系统，对于空间有严格要求的小型系 统，可以采用r o m f s ，尽最大可能压缩文件系统的开销。 u c i i n u x 内存管理 内存管理器是用于管理操作系统的存储系统，如内存的分配和释放，程序访问地址 空间的重新映射等功能。它跟踪系统当前正在使用的存储单元，在进程需要时分配地址 空间，使用完毕时回收地址空间。u c l i n u x 与标准l i n u x 的内存管理有很大的区别。标 准l i n u x 支持虚拟内存管理，因此编制用户空间应用程序时无需考虑内存物理地址空间 的大i , ( 3 2 位平台只有4 g b 虚拟内存空问的限制) 。为实现虚拟内存管理，必须实现在 恰当条件下能够实现主存与磁盘之间页面数据的换进换出行为，此外，要实现虚拟内存 管理，在硬件角度还需要处理器的m m u 来协助。u c l i n u x 是针对管理不含m m u 的处 理器设计的，因此u c l i n u x 不能支持虚拟内存管理技术。u c l i n u x 采用存储器的分页管理 技术，内存管理的很多操作都是以页为单位进行的，如内核空间的内存分配操作，应用 上海大学硕士学位论文 程序的加载也是以页为单位的。 由于虚拟内存管理功能，u c l i n u x 中应用程序和内核访问的所有地址，都是线性地址， 即所有代码都可以直接访问物理地址。操作系统并没有对地址空间进行保护( 一般的桌 面操作系统，或更大型的操作系统，为了系统的稳健性，都限制应用程序直接访问内核 地址空间的权限) 。这也是大多数嵌入式操作系统为嵌入式系统设计的一个取舍，系统 设计人员假定嵌入式系统开发人员在编程时会比普通程序员考虑更多的地址安全性问 题。 在u c l i n u x 中，一个进程在执行前，系统必须为它分配足够的连续地址空间，然后 将程序代码全部载入主存空间。内核这种内存管理的裁减对应用开发人员提出了更高的 要求。在编写应用程序时，开发人员一定要有内存管理的概念。在编写程序时要把握程 序运行时可能出现的地址溢出问题。 文件系统 l i n u x 系统的一个重要特征就是支持多种不同的文件系统。对于嵌入式系统，文件 系统管理的不一定就是磁盘文件，因为有些系统根本就没有磁盘设备。文件系统是一种 文件组织管理方法。在l i n u x 下，通过文件系统将文件用树状管理，每一个单独的文件 系统都是代表整个系统的树状结构的一部分。当挂接一个新的文件系统时，l i n u x 把它 添加到这个树状的文件系统中。所有系统中的文件系统，不管是什么类型，都挂接到一 个目录下，并隐藏掉目录中原有的内容。这个目录叫做挂接目录或者挂接点。当文件系 统卸载掉时，目录中的原有内容将再次的显示出来。 l i n u x 采用虚拟文件系统，它将真正的文件系统从操作系统和系统服务中分离出来， 在它们之f b j 使用了一个接口层虚拟文件系统v f s ( v i r t u a lf i l es y s t e m ) 。v f s 允许 l i n u x 支持多种不同的文件系统每个底层文件系统只要满足v f s 的操作接口，则l i n u x 就可以将其安装到系统中。各种文件系统一旦安装好，则所有的它们管理的所有文