（信号与信息处理专业论文）无线视频终端的接口硬件与底层驱动的设计与实现.pdf

南京邮屯大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 c d m a 、g p r s 和w l a n 等无线网络近年来在我国发展迅速，无线网络的可利 用带宽越来越大，覆盖范围越来越广。但目前单一模式的无线传输仍然受网络覆盖及 传输带宽等因素的影响，应用范围受到了限制，例如：g s m 、g p r s 、c d m a l x 网 络几乎全国覆盖，但是可用带宽很窄，而拥有较高带宽的w l a n 又受到覆盖范围小 的限制。双模无线传输方案的推出，实现了广域与高速的结合，为无线视频通信提供 了有效的载体。而d s p 和媒体处理器的技术进展推动了多媒体的发展。媒体处理器 具有处理能力强、体积小、功耗和成本低等特点，为实时无线视频通信提供了强有力 的媒体处理和通信控制的核心。本文工作将针对以多媒体d s p 为处理核心的无线视 频传输系统的接口硬件和驱动技术展开。 本文首先对已有的无线视频终端硬件系统做了重要的改进。在大量实验测试的基 础上，深入分析、并且确定了通信接口板中w l a n 无线网卡对g p r s 模块的信号干 扰，重新进行了通信接口板的元器件布局和p c b 电路图设计，从而解决了由于网卡 的工作而给g p r s 传输数据时带来的高丢包率。之后，为了提高p p p 协议栈的可靠 性，移植了p p p 协议的有限状态机，并支持l c p 和i p c p 协议所有选项的协商；为了 支持对p p p 协议和串口设备驱动的再升级，采用了嵌入式实时操作系统p s o s 建议的 特定接口层( i n t e r f a c es p e c i f i cl a y e r ) 和标准的通用物理层接口( g e n e r i c p h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c e ) 等组件。最后，重新设计了p p p 驱动和物理设备驱动的 缓冲存储机制，从而使其支持多通道p p p 协议和多通道串行设备驱动以及驱动层之间 的数据零拷贝。在此基础上，添加了多网络( c d m a g p r s ) 接口，并且对多网络接口 进行了应用测试。 本文对修改后的无线通信接口板、p p p 协议和设备驱动以及在此基础上构建的无 线视频编码器进行了实际视频传输测试。测试结果表明，该硬件系统工作稳定，p p p 驱动性能良好。文章的最后讨论了目前设计中值得改进的问题，并提出了进一步完善 的方向。 关键词：无线视频通信，点对点协议，有限状态机，状态，事件，动作，g p r s ，c d m a ， w l a n ，t m l 3 0 0 ，d s p 南京邮屯大学硕士研究生学位论文 a b s c r a e t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm u l t i m e d i ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , t h e s p r e a da r e aa n da v a i l a b l eb a n d w i d t hn e t w o r ka r eb e c o m i n gw i d e ra n dw i d e r h o w e v e r , c n r r e n ts i n g l e m o d et r a n s m i s s i o ni ss t i l lr e s t r i c t e de i t h e rb yi t sn e t w o r ks p r e a do rb yi t s b a n d w i d t h f o re x a m p l e ，g p r s ，c d m an e t w o r kc a na l m o s te x t e n dt ot h ew h o l ec o u n t r y , b u ti t sb a n d w i d t hi sn a r r o w o nt h ec o n t r a r y , w l a nn e t w o r kc a np r o v i d ew i d e rb a n d w i d t h ， w h i l ei t ss p r e a da r e ai ss m a l l s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pam u l t i m o d es y s t e mt o r e a l i z ew i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o nb ys e l e c t i n gt h eb e s ta v a i l a b l ec h a n n e la u t o m a t i c a l l y t h ec o n t e n do ft h i st h e s i sw i l lc o n c e n t r a t eo nt h eh a r d w a r ei n t e r f a c ea n dd r i v e rf o ra m u l t i m e d i ad s pb a s e dw i r e l e s sv i d e ot r a n s m i s s i o ns y s t e m f i b t ，t h et h e s i sh a sm a d e a n i m p o r t a n ti m p r o v e m e n tt ot h ep r e v i o u sh a r d w a r e d e s i g no ft h ew k e l e s sv i d e ot e r m i n a l b a s e do ne x t e n s i v et e s t sa n da n a l y s i s ，i ta f f i r mt h a t w l a nw i r e l e s sn e t w o r kc a r do nc o m m u n i c a t i o nb o a r dh a dm a d es t r o n gd i s t u r b a n c et o g p r sw i r e l e s sm o d u l e ，s ow er e d e s i g n e dm u l t i m o d ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb o a r d i n o r d e rt oe n h a n c et h ep p pp r o t o c o ls t a c kr e l i a b i l i t y , w et r a n s p l a n t e dt h ep p pf s mw h i c h s u p p o r t sa l lo p t i o n sa r r a n g e m e n to fl c p a n di p c pp r o t o c 0 1 a n dt of i k r t h e ru p d a t et h ep p p p r o t o c o la n dt h es e r i a ld e v i c e s ，t h ei s l ( t h ei n t e r f a c es p e c i f i cl a y e r ) a n dt h eg e n e r i c p h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c e ，w h i c ha r ea d v i c e db yt h er e a l - t i m ee m b e d d e do sp s o s f i n a l l y t h eb u f f e rm a c h i n eb e t w e e nt h ep p pd r i v e ra n dt h ep h y s i c a ld e v i c e sd r v i e rw e r er e d e s i g n e d ， w h i c hc a r ls u p p o r tt h em u l t i c h a n n e lp p pp r o t o c o l ，t h em u l t i c h a n n e ls e r i a ld e v i c ed r i v e ra n d t h ez e r o c o p yb e t w e e nt h ed r i v e r s b a s e do nt h ew o r kt h em u l t i p l en e t w o r ki n t e r f a c e s ( c d m a g p r s ) a r ea d d e da n dt e s t e di na p p l i c a t i o n t h ep r a c t i c a lt e s t sp r o v et h a tt h em o d i f i e dc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb o a r d ，p p pd r i v e r a n dt h ew h o l ev i d e oc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a lw o r ks t a b l ya n dr e l i a b l yw i ms a t i s f a c t o r y q u a l i t y f i n a l l y , w ed i s c u s ss o m ep r o b l e m si nc u r r e n ti m p l e m e n t a t i o na n dd i r e c t i o nf o r f u t u r ei m p r o v e m e n t s k e y w o r d s ：w i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n ，p o i n t t o - p o i n tp r o t o c o l ，s t a t e ，e v e n t ， i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a c t i o n ，g p r s ，c d m a ，w l a n ，t m l 3 0 0 ，d s p i l l 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学信号与信息处理 研究方向：图像处理与多媒体通信 作者：2 0 0 3 级研究生邢有涛指导教师一翅鳖 题目：无线视频终端的接口硬件与底层驱动的设计与实现 英文题目：d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ei n t e r f a c e a n dd r i v e l f o raw i r e l e s sv i d e ot e r m i n a l 主题词：无线视频传输多模式 c d m ag p r s t m l 3 0 0p p p k e y 啪r d s ：w i r e l e s sv i d e oc o m m u n i c a t i o n m u l t i - m o d e c d m ag p r s t m l 3 0 0 p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l 南京邮电大学学位论文独创性声明 8 5 0 9 2 1 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文巾不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我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。 研究生签名：蕉击f l j f j j = ! 竺! ：! ：! ! 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质沦文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公砸( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：兰 垄渣导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 无线i p 网络的实时视频传输 实时视频传输首先是在固定网络上开展起来，比如基于i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e d i g i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 、p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公 共电话交换网络) 、e 1 专线的可视电话、视频监控系统等等。它们的优势在于通信链 路的带宽资源比较充足，传输质量比较好，但是，视频通信的双方必须在固定的场所 进行通信。 随着无线通信技术的飞速发展，各种新的技术趋向融合，无线视频通信业务的开 展呈现出无限的生机。继g r p s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 和c d m a l x ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 等2 5 代移动通信系统在我 国成功商用之后，第三代( 3 g ) 移动通信系统也呼之欲出。 在公共移动通信技术和业务取得巨大发展的同时，w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k ，无线局域网) 标准化已经相继完成了i e e e8 0 2 1 l a ，b ，g 等规范，可提供 速率从1 m b p s 到5 4 m b p s ，成为无线接入的另外一个重要的手段。目前的公共无线移 动网络g p r s 、c d m a l x 等提供了大范围低码率的无线移动接入通信网络，而w l a n 提供了在较小范围内的高速无线接入i n t e m e t ，两者相互补充，为无线多媒体视频流 的传输提供了必要的网络通信基础。 由上述技术产生的无线i p 和无线视频业务必将成为未来移动通信业务新的增长 点。在此种情况下，人们很自然地会联想到将视频技术与移动通信技术相结合。移动 通信技术摆脱了有线的束缚，成为追求自由通信的重要手段。无线视频通信使得人们 能够对移动目标进行大范围、实时、全天候监控调度。例如，对地域广泛、机动性强、 数量众多的移动目标有效监控、紧急救援和各种信息服务的需求，在客运、公安、银 行、物流管理等行业表现得尤为突出。 然而，视频通信业务的数据量非常大，视频信号携带的很多信息是无法用其他形 式的信号( 如文本、音频甚至静止图像等) 加以描述的，因此传输视频信息要求网络 提供较高的带宽。对于移动通信系统来说，无线信道的带宽资源是一种宝贵的资源， 想要在有限的带宽情况下传输大量的数字视频信号就需要采用某种极低比特率的视 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 频压缩编码算法，实现高效压缩。 视频压缩技术在近十多年取得了很大的发展，i t u ( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟) 和i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o r s t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织) 制定了许多视频压缩编码标准，如i t u t 的h 2 6 1 、 h 2 6 3 和i s o i e c 的m p e g 一1 和m p e g 2 ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ，运动图像专 家组) ，及其两大组织最近联合推出的h ，2 6 4 。这些标准覆盖了很大的视频速率范围 和应用领域，支持不同速率、不同图像质量要求的视频业务，能够满足包括电视会议、 视频电子邮件、可视电话、广播级视频应用等不同要求的业务。 1 2 多模式无线视频传输系统框架 为了达到实时视频编码传输，必须采用相应的媒体处理器。t i ( t e x a s i n s t r u m e n t s ， 德州仪器公司) 、a d i ( a n a l o gd e v i c e s ，美国模拟器件公司) 、p h i l i p s 等公司已纷纷 推出各种高性能的多媒体应用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 芯片。 以p h i l i p s 公司的t r i m e d i a 系列多媒体数字信号处理器为例，它集成一个高性能的 v l i w ( v e w l o n g i n s t r u c t i o n w o r d ，超长指令字) 结构的d s p c p u ( c e n t e r p r o c e s s u n i t ， 中央处理器) 和多个专门用于多媒体信号输入输出和通信的外设接口，另外还提供了 完善的开发平台，因此t r i m e d i a 系列d s p 在视频通信和视频处理领域得到了广泛的 应用。 虽然目前在视频编码、媒体信号处理器等技术方面已经可以满足实时传输的要 求，但是目前移动网络的状况限制了无线视频传输的应用范围。当前中国移动的 g s m g p r s ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e ，全球移动通信系统网络) 覆盖范围最广，但 其实际传输速率仅约1 0 2 0 k b p s ；中国联通的c d m a 网络覆盖次之，提供的速率约 3 0 9 0 k b p s ，而w l a n 网络一般为企事业单位的内网和电信部门设定的热点地区， 速率可达数百k b p s 以上，但覆盖范围最小。可见，利用单一无线接口的通信必将受 到网络覆盖及传输带宽的限制，覆盖范围广的网络通信带宽有限，高带宽的网络覆盖 范围有限。如果能设计一个高效的、集多种无线通信接口于一身的、能适应各种不同 无线网络传输、甚至能在多种无线网络间智能切换的多模式无线视频通信系统无疑具 有重要的研究意义和应用前景。 本文的研究工作就是一个拥有g p r s 、c d m a 和w l a n 无线网络接口的、能够 南京邮电大学硕士研究生学位论文销一章引言 智能选择当前可用高带宽无线网络的多模式无线视频通信原型系统的硬件和驱动部 分 2 6 1 。目前该系统已经研制成功，并且通过了省级鉴定。系统的框架如图1 1 所 示。它的特点在于拥有g p r s 、c d m a 和w l a n 等多种无线网络接口，通过系统的 软硬件配置，可以同时工作于g p r s 、c d m a 和w l a n 网络的任一、任意二者或三 者的组合。加上上层软件的控制，可以实现一个能够智能选择当前可用高带宽网络完 成视频的传输。 剧1 1 多模式无线通信系统框架 上图中，无线视频终端以p h i l i p s 公司的多媒体数字信号处理器t m l 3 0 0 为硬件 处理核心，结合g p r s 、c d m a 和w l a n 等多种无线模块，实现了基于h 2 6 3 建议 的多模式无线视频编码和发送。 1 3 本文主要工作与内容安排 本文作者在系统的研制中主要承担了无线视频终端的硬件设计与调试，以及底层 软件部分实现方面的工作。论文将基于上述工作进行分析和讨论。在硬件方面，作者 在原有设计的基础上，通过大量的测试和分析，确定了长期困扰的w l a n 与g p r s 模 块之间的下扰问题，之后重新设计多模式通信接口板，通过合理的布局布线，去除 w l a n 与o p r s 之间的信号干扰。在软件方面，作者合理利用嵌入式实时操作系统 p s o s 所提供的特定接口层( i n t e r f a c es p e c i f i cl a y e r ) 组件和标准通_ f ； j 物理层接口 ( g e n e r i c p h y s i c a l l a y e r i n t e r f a c e ) 设计并实现了适用于g p r s 和c d m a 网络的点到点 协议( p o i n t - t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 驱动软件。 根据课题的研究背景，本文接下来的内容安排如下：第二章主要介绍无线视频终 端的通信接口硬件部分，在简要介绍核心处理器t m l 3 0 0 及其接口和系统的硬件设计 方案之后，分析和讨论硬件部分存在的相互干扰和解决的方法。第三章将首先讨论多 方案之后，分析和讨论硬件部分存在的相互干扰和解决的方法。第三章将首先讨论多 堕室业皇查堂堡主堕塑皇兰垡堡奎篁二皇堕 模式无线视频终端的系统软件平台和驱动程序组建，然后将综合分析底层驱动工作流 程。第四章将深入分析讨论p p p 协议以及p p p 协议栈的移植和改进。本文的第五章给 出了p p p 协议栈改进后对无线视频终端的系统性能测试结果。最后，在第六章对全文 进行了总结，并提出了对本文工作的改进方向和建议。 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章无线视频终端的通信接n 硬件 第二章无线视频终端的通信接口硬件 本章首先简要介绍p h i l i p s 公司的t m l 3 0 0 芯片和它的主要接口，以及本系统的 硬件方案，然后对硬件系统的干扰问题进行分析，给出了具体采用的解决方法，并且 介绍了解决其他一些实际问题的措施。 2 1 无线视频终端硬件平台 2 1 1 无线视频终端的核心处理器 p h i l i p s 公司先后推出了t r i m e d i a 系列和n e x p e r i a 系列1 2 5 1 多媒体数字处理器， 主要产品有t m l 3 0 0 、p n x l 3 0 0 、p n x l 5 0 0 、p n x l 7 0 0 。本文设计的无线视频终端以 t m l 3 0 0 为硬件系统的核心处理器，其内核是一个具有v l l w ( 超长指令字) 的3 2 位处理器，时钟频率最高可达1 6 6 m h z ，能够进行3 2 位的线性寻址，与后续的p n x l 3 0 0 和p n x l 5 0 0 在硬件上完全兼容【1 】。t m l 3 0 0 内部集成了丰富的专为多媒体处理的模 块以及多种接口，实现与外设的无缝硬件连接。在本系统中主要使用了诸如视频输入 v i 接口、p c i p c i x i o ( 外围原件扩展接口) 总线接口以及i i c 总线接口等，结合视 频a d 处理芯片、存贮单元和无线模块，简化了硬件电路的设计。t m l 3 0 0 的内部组 成框图如图2 1 所示。有关t m l 3 0 0 的工作过程和有关接口的控制方法，例如d s p 的 启动、v i v o 的控制以及p c i p c i x i o 接口的控制和使用等，可以参见相关的技术文 档和论文 2 1 ，在此不作赘述。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线视频终端的通信接1 3 硬件 图2 1t m l 3 0 0 内部结构框图 2 1 2 无线视频终端的硬件组成 围绕着核心处理器t m l 3 0 0 ，无线视频终端的硬件系统还包括了其他1 3 个功能 单元【2 8 1 。它们是：s d r a m 存储单元、启动单元、b o o t r o m 单元、f l a s h 存储 单元、视频输入单元、视频输出单元、j t a g 调试单元、i o 扩展单元、g s m g p r s 模块单元、c d m a 模块单元、w l a n 模块单元、p c i 总线仲裁器单元 2 7 1 和电源 供给单元。硬件总体组成框图如图2 2 所示。 本系统的一个特色是采用硬件设计分离的思想，将视频编解码的核心部件置于编 解码核心板上，将其他外围设备置于通信接口板上。利用导线连接t m l 3 0 0 编解码核 心板与通信接口板，编解码板扩展了所有的t m l 3 0 0 外扩接口，使t m l 3 0 0 编解码主 板可以适用于不同的底层通信平台，根据实际情况只需设计相应的通信接口板，并对 t m l 3 0 0 上运行的编解码程序和通信驱动程序进行适当调整即可。这样虽然在硬件上 增加了一块通信接口板，但编解码板扩展的p c i 接口既可以在p c i 模式下连接众多 支持p c i 接口的外设芯片实现高速通信，又可以以p c i x i o 模式方便的控制简单8 位外设，增加了主板的可重用性，同时也大大增强了系统的可扩展性。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 章无线视频终端的通信接l j 硬件 2 5 v 3 3 v 3 8 v s 0 v 图2 2 硬件系统方案 j t a gs s ip c i 总线电源音频 ls d r a m 卜 j t a gs s ip c i 总线电源音频 - 4 r e s e t f l e e p r o m 卜_i i c t m l 3 0 0 - j v i d e 。a di lf l a s h 卜 p c i ov o- t v i d e o d a l 图2 3 编解码核心板硬件框架 编解码核心板硬件框架如图2 3 所示，主板只包括视频编解码系统所必须的硬件 部分，如s d r a m 、e e p r o m 、f l a s h 、v i d e oa d 、v i d e od a 、系统启动模块等。 t m l 3 0 0 其余的扩展接口均通过导线外扩，连接至通信接口板，如p c i 、j t a g 、s s i 、 音频相关接口、电源接口等。 通信接口板的硬件框架如图2 4 所示，通过p c i 总线扩展p c i 插槽，连接有线或 者无线网卡，通过p c i x i o 扩展串口，进而扩展g s m 、g p r s 、c d m a 模块接口。 通信接口板上实现了g s m 、g p r s 、c d m a 、w l a n 无线接口的扩展，使得视频数 据可以通过多种模式的无线接口传输。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线视频终端的通信接口硬件 , i t a gp c i 总线 电源 图2 4 通信接口板硬件框架 2 2 通信接口板的设计与调试 根据上述设计思想所设计的通信接口板在电原理图上是完全正确的，但是要实现 正确稳定的工作，还毖须充分考虑在高速数据传输时硬件电路的设计准则，在元器件 布局和布线上进行精心设计。 2 2 。1 消除w l a n 网卡对g p r s 的干扰 依据分离设计思想设计的通信接口板p c b 图如附图1 所示，在单模式工作方式 下，无线视频终端均能够正常工作，然而当系统在g p r s w l a n 模式下工作时，就 能够发现，g p r s 会出现较显著的丢包，使得重建图像质量大大降低。为此本文分别 测试了w l a n g p r s 双模式和g p r s 单模式下关于g p r s 的传输情况。发现由于 w l a n 的存在，g p r s 的丢包率大大增加。表2 2 是实际测试的丢包率部分片断。之 后又用数字示波器测试了存在干扰时p c i 总线中的第2 4 、2 5 位地址线a d 2 4 和a d 2 5 ( 如图2 5 ) ，发现在双模式下，g p r s 中串扰了其他信号，影响了数据信号的质量。 表2 2 定时( 2 s ) 测得的g p r s 丢包率示例 w l a n ，g p r sg p r s 1 5 3 8 4 6 1 5 0 0 0 0 0 0 0 7 1 4 2 8 5 7 0 0 0 0 0 0 0 2 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 4 2 8 5 7 1 4 6 6 6 6 6 6 7 6 6 6 6 6 6 7 0 0 0 0 0 0 0 1 3 3 3 3 3 3 3 0 0 0 0 0 0 0 8 堕塞塑皇查堂堡主堡窒生兰焦丝奎 兰三兰垂丝望塑竺堂塑望笪垫旦! ! 生 ( b ) 图2 5 存在干扰的a d 2 4 和a d 2 5 信号 由此可见，由于通信接口电路的p c b 布线与布局上的不合理，使得系统中的 w l a n 对g p r s 产生了非常大的噪声干扰。针对存在的问题，需要重新设计p c b 电 路。 q 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线视频终端的通信接口硬件 当信号线的长度过长，会使信号的延迟时间大于信号跳变时间，那么信号线是很 容易产生反射的，导致信号的失真。也可能使系统时序错乱，使系统不能正常工作。 本文作者改进p c b 电路设计时遵循了以下设计原则： 1 避免信号线的阻抗不连续性。阻抗不连续点就是信号线突变的点，如直拐角、 过孔等，它将产生信号的反射，需要尽量避免。 2 减少信号线的分叉，每条分叉都将成为一个噪声源。 3 缩短信号线长度可以降低噪声干扰。 由于w l a n 与g p r s 共享p c i 总线，p c i 总线在w l a n 与g p r s 之间将产生分 又，芳且由于g p r s 的布线太长，根据设计原则，当w l a n 工作的时候确实可能成 为g p r s 的干扰源。因此，在重新设计中，改变了布局，尽量将g p r s 的信号线拉短。 最终部分控制信号线拉近了近9 c m 。经过实际的测试，发现g p r s 中的干扰噪声明显 减少，g p r s 的丢包率也大大降低，接近于单模式下的g p r s 传输情况。测试p c i 总 线中的信号线a d 2 4 和a d 2 5 见图2 , 6 。重新设计后的通信接口板p c b 图如附图2 所 示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线视频终端的通信接l 】硬件 ( b ) 图2 6 去除干扰a d 2 4 和a d 2 5 的信号 2 2 。2w l a n 网卡可插拔功能的实现 实现w l a n 网卡在无线视频终端的可插拔功能是一个非常具有实用意义的技术 改进。在c d m a 或g p r s 单模式下，无线视频终端的w l a n 网卡是不需要的，此时 w l a n 网卡的存在，将大大地降低了无线视频终端在移动中的防震性能。 在原先的电路设计中，一旦将w l a n 从通信接口板上拔出，则无线视频终端将 无法启动。通过对w l a n 的工作状态进行的分析和实测发现，问题的关键是当 t m l 3 0 0 无法获得p c 总线控制权的时候，它是无法工作的。由于在本系统中存在的 两个p c i 主设备，都有可能向总线仲裁器申请总线控制权，因此当拔出w l a n 网卡 后，对应的w l a n 总线申请信号线p c i r e q # 会一直置低，相当于始终申请了总线 控制权，因此，t m l 3 0 0 由于始终无法获得总线控制权而不能进入正常的工作。本文 作者在p c i r e q # 信号线上接了一个上拉电阻，在没有网卡的情况下不会再向仲裁器 申请总线，另一方面，由于当w l a n 需要申请总线的时候仍然可以拉低p c i r e q # 信号线使其有效，所以不会影响w l a n 的正常工作。 经过实际测试，证明电路的改进达到了预期的效果。附图3 是原电路设计与改进 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线视频终端的通信接1 3 硬件 后的电路设计。 2 南京邮电学院硕士研究生学位论文第三章无线视频终端的底层驱动 第三章无线视频终端的底层驱动 本文的重点是c d m a 【4 】与g p r s 【5 】模式的系统软件设计。为了实现正常的 c d m a 或g p r s 网络通信，无线视频终端系统需要为应用层提供如图3 1 中的终端平 台。图中的各组件以及接口是本章的重点。本系统使用的是为嵌入式微处理器 t m l 3 0 0 芯片而设计的具有标准模块的高性能实时操作系统p s o s 。本章将分三个主 要部分分别介绍相关的p s o s 组件与模块，底层驱动在系统中的实现和无线视频终端 的工作流程。 n e t w o mi n t e r f a c e g e n e r a lp h y s i c a l l a v e rm t e r f a c e s e r i a i i n l e r f a c e 图3 1 无线视频终端平台 3 1 无线视频终端操作系统平台 本节将简要介绍p s o s + 实时多任务操作系统【1 1 】，然后介绍p s o s + 提供的网 络组件p n a + 。他们是进行驱动和p p p 协议移植的基础。 3 1 1 实时多任务操作系统p s o s + 简介 p s o s + 是专为嵌入式微处理器设计的高性能模块化的可裁减实时操作系统 ( r t o s ) ，它提供了一个基于开放系统标准的多任务环境，具有以下特点： ( 1 ) p s o s + 3 常精小，其内核仅有1 s k b 大小。 ( 2 ) 提供实时多任务环境。 一 一 咄弁ii仆iii二iiiiiii扎iiu岫 一 一 一 如 一一一一一一一一 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章无线视频终端的底层驱动 ( 3 ) 用户可选择使用其模块的任意组合。 3 1 1 1 系统结构与组件 p s o s + 由内核、系统服务、用户程序等几个部分组成，如图3 2 所示。 p s o s + 内核负责任务的管理与调度、任务间通信、内存管理、实时时钟管理、中 断服务；可以动态生成或删除任务、内存区、消息队列、信号灯等系统对象；实现了 基于优先级的、可抢占的任务调度算法，并提供了可选的时间片轮转调度。p s o s + 内核还提供了多任务间的通信机制及多任务同步和互斥的手段，如消息、信号量、事 件、异步信号等。p s o s + 系统服务层包括p n a + 、p r e p c + 、p h i l e + 等组件。 图3 2p s o s + 系统结构 p n a + 是一个标准的t c p f i p 协议栈，支持的协议有：网关路由协议、u d p 、a r p 和i g m p 等等。p r e p c + 提供了远程调用函数库，允许用户用远程调用来构造分布式 应用。p h i l e + 提供了对c d r o m 文件系统、m s - d o s 兼容文件系统和p s o s y s t e m 特 有的快速文件系统的支持，可以通过它有效地访问各种不同的块存储设备。 3 1 1 2p s o s + 任务调度策略 p s o s + 是一个实时多任务操作系统，任务是参与资源竞争( c p u 、m e m o r y 、i o d e v i c e s 等) 的基本单位。任务调度和任务之间的通信都是由p s o s + 内核完成的。p s o s + 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章无线视频终端的底层驱动 系统提供了两种任务调度策略：基于优先级的调度策略和基于时间片轮转的调度策 略。 p s o s + 系统中，任务包括系统任务和用户任务两类。每个任务都有一个优先级。 p s o s + 系统支持0 2 5 5 级优先级，0 级最低，2 5 5 级最高。0 级专为i d l e 任务所有， 2 4 0 2 5 5 级为系统所用。任务只有获得所需的资源才能运行，这些资源包括c p u ， 内存，i o 设备等，还包括某些特定的事件和消息。根据任务对这些资源的占有情况， 可以将任务的状态分为三种：运行态、就绪态和阻塞态，其状态转移图如图3 3 所示。 图3 3 p s o s 的任务状态转移图 处于运行态的任务获得了所需的全部资源，并且正在c p u 上执行，它可能因为 执行某些系统调用，或因为等待时钟、事件等而转入阻塞态，或者因为时间片耗尽而 转入就绪态：处于就绪态的任务获得了除c p u 外的所有需要的资源，当系统调度将 c p u 分配给它以后，它就可以进入运行态：处于阻塞态的任务则需要等待除c p u 之 外的某些资源，当这些资源可用后，如果它是具有最高优先级的任务，则立即转入运 行态，否则它将转入就绪态。p s o s + 的调度策略是“优先级+ 时间片轮转”。按照这一 策略，系统中具有最高优先级的就绪任务将获得c p u ，进入运行态，当多个就绪任 务都具有最高优先级时，就采用时间片轮转的方式让它们公平的占用c p u 。这种任 务调度策略也正是实时操作系统的特点。 3 1 2p s o s + 网络组件p n a + p n a + t 乍为p s o s 的网络组件，包括s o c k e t 接口层、传输层、网络层和网络接口 层，p n a + 软件结构如图3 4 所示；并且支持完全的t c p f l p 协议栈【1 9 。s o c k e t 层 支持标准应用层接口，提供应用层对各种网络协议访问的服务；传输层支持两种网络 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章无线视频终端的底层驱动 传输协议，传输控制协议( t c p ) 与用户数据报协议( u d p ) ；网络层提供数据包路 由、分组与重组，并且支持多播和a r p 、i c m p 、i g m p 等网络协议【2 0 】；网络接 口层对下层提供标准n i ( n e t w o r ki n t e r f a c e ) 网络接口，实现对用户提供的网络设备 层的调用。 p n a + 支持两种网络接口：i n d e p e n d e n ti n t e r f a c e 和d e p e n d e n ti n t e r f a c e 。 i n d e p e n d e n t 接口支持的数据包被存储在连续物理地址的数据缓冲。当p n a + 发送数据 时，将传递这样的数据缓冲指针交由n i ：相同地，当接收到数据包时，n i 也将传递 这种数据缓冲指针给p n a + 。另一方面，p n a + 可以使用优化内存管理方式传递数据包 的网络接口：d e p e n d e n ti n t e r f a c e 。这种网络接口所支持的数据包在物理空间的存 储并不总是连续的，只在逻辑空间是连续的。每个数据包可以被描述成一组m e s s a g e b l o c k 结构的链表，将物理空间中不连续的数据组成完整的数据包，节约数据拷贝的 消耗，实现了零拷贝( z e r o c o p y ) 。当n i 发送数据时，向n i 传递一个m e s s a g eb l o c k 指针；相同地，当接收到数据时，n i 将在数据缓冲上捆绑一个m e s s a g eb l o c k 结构， 并将指针传递给p n a + 。 网络接口d e p e n d e n ti n t e r f a c e 的内存管理方式降低了n i 与p n a + 之间数据拷贝， 最大程度地提高了性能。因此，不仅在n i 与p n a + 之间使用这种零拷贝方式，本文作 者在n i 接口以下的所有协议层与设备层之间也均采用了这种效率极高的内存管理方 式。 s o c k e tl a y e r i c m p i g m pu d p t c p l p a r p n ll a y e r n e t w o r ki n t e r f a c e 图3 4p n a + 软件结构 s o c k e t 层 传输层 网络层 n i 层 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章光线视频终端的底层驱动 3 1 2 1p n a + a n n o u n c ep a c k e t 入口 当接收到数据包，n i 必须调用这个特殊的p n a + a n n o u n c e p a c k e t 入口通知p n a + 。 a n n o u n c e p a c k e t 入口地址在p n a + 调用n i i n i t 时作为输入传递给n i 。调用 a n n o u n c e p a c k e t ，n i 需要传递6 个参数给d n a + ，详见表3 1 。 表3 1a n n o u n c e _ p a c k e t 参数表 参数描述 t y p e数据包类型。必须是以下之一： o x 0 0 0 0 0 8 0 0 = i p 包 0 x 0 0 0 0 0 8 0 6 = a r p 包 b u f fa d d r 指向数据缓冲区。当设置i f fr a w m e m ，指向m e s s a g eb l o c k 。 c o u n t 数据包大小，以字节记。 i ff l u i l l 接收到数据包的n i 序列号。 s r ca d d r 源硬件地址。 d e s ta d d r 目标硬件地址。 3 1 2 2p n a + 接口回调函数 p n a +n i 提供了一个接口的回调函数。n i 调用回调函数希望p n a 十改变接口 的状态。n i 可能需要设置的参数例如i p 地址、子网掩码、点对点链路中的目标i p 地址、m t u 、i p 广播地址或者接口的标志符。这种调用格式类似于s o c k e t 标准接口 的i o c t l 。n i 调用和回调函数如图3 5 。 p n a + m o d u l e n n o u n c ej n t e n a c e p a c