基于μClinux的IP電話
復(fù)旦大學(xué)
參賽隊(duì)員：邱衛(wèi)東、諶勇輝、盧德良
指導(dǎo)老師：彭澄廉
一、系統(tǒng)概述
IP是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol)的簡(jiǎn)稱，IP 電話是按照國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開通的電話業(yè)務(wù)，它通過發(fā)送IP包來傳輸話音業(yè)務(wù)，其基本原理是：通過語(yǔ)音壓縮算法對(duì)話音進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)過IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包傳輸?shù)侥康牡?，再把這些語(yǔ)音數(shù)據(jù)包連接起來，經(jīng)過解碼、解壓縮處理后，恢復(fù)成原來的語(yǔ)音信號(hào)，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送話音的目的。
Internet話音業(yè)務(wù)正在獲得飛速發(fā)展，其主要原因有以下兩點(diǎn)：首先是價(jià)格低廉，相同的通話時(shí)間，通過Internet話音服務(wù)的費(fèi)用僅僅為通過傳統(tǒng)話音服務(wù)費(fèi)用的幾分之一，甚至幾十分之一；其次，隨著技術(shù)的發(fā)展，IP電話的話音質(zhì)量有了很大的提高，克服了以往話音質(zhì)量低劣、延遲長(zhǎng)、經(jīng)常掉線等缺陷。
目前專家普遍認(rèn)為VoIP將代表電話技術(shù)未來的發(fā)展方向，甚至有這樣的一句話：everything is over IP(一切都將基于IP)。許多人相信IP電話時(shí)代即將到來，F(xiàn)rost & Sullivan調(diào)研公司的報(bào)告中預(yù)計(jì)，到2007年VoIP的通話量將占全部通話量的75%，甚至更高一些。
Nios CPU 是一種采用流水線技術(shù)、單指令流的RISC處理器，又是一種軟核CPU，專門針對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行了優(yōu)化，因此是一種可配置的通用RISC處理器，可以與用戶自定義邏輯結(jié)合，構(gòu)成完整、功能強(qiáng)大的SOC系統(tǒng)，在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中已成為趨勢(shì)。
嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的靈魂，可以顯著提高軟件開發(fā)效率和進(jìn)行軟件復(fù)用。針對(duì)當(dāng)前日益復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，應(yīng)用操作系統(tǒng)是保證產(chǎn)品面市時(shí)間的關(guān)鍵。嵌入式μClinux操作系統(tǒng)是一種性能優(yōu)良、源碼公開且被廣泛應(yīng)用的的免費(fèi)嵌入式操作系統(tǒng)，具有高度靈活的可定制內(nèi)核。
目前尚無Nios CPU的免費(fèi)移植版本，為了完成參賽作品，我們自行移植了μClinux操作系統(tǒng)的Nios CPU版本，繼而在μClinux操作系統(tǒng)上完成了IP電話的設(shè)計(jì)開發(fā)。

二、功能說明
基于μClinux的IP電話分為服務(wù)端(接受方)和客戶端(呼叫方)。發(fā)起通話請(qǐng)求的一端稱為客戶端，另一端則為服務(wù)端。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景，服務(wù)端和客戶端可以調(diào)換角色，也就是說，任意一端都可以發(fā)起通話請(qǐng)求。
客戶端發(fā)起通話請(qǐng)求，輸入服務(wù)端IP地址，兩端通過網(wǎng)絡(luò)連接成功后，利用麥克風(fēng)和聽筒，就可以進(jìn)行通話了。
本作品的實(shí)現(xiàn)分為硬件和軟件兩個(gè)部分。
硬件部分進(jìn)行A/D、D/A板的開發(fā)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電話語(yǔ)音的數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。采用AD7811、AD7305等芯片，實(shí)現(xiàn)了A/D，D/A的控制時(shí)序邏輯以及采樣率的設(shè)置等功能。
軟件實(shí)現(xiàn)主要包含以下四個(gè)步驟：
第一，將嵌入式操作系統(tǒng)μClinux移植到Nios處理器上。
第二，移植μClinux下的smc lan9111c1網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)IP連接。
第三，開發(fā)μClinux下語(yǔ)音板(自行開發(fā)設(shè)計(jì))的驅(qū)動(dòng)程序。
第四開發(fā)μClinux下的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)IP電話功能，分別為服務(wù)端和客戶端應(yīng)用程序，提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
三、性能參數(shù)
語(yǔ)音板AD7811采用的是Analog公司的一款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器，它具有如下一些關(guān)鍵特性：
* 4個(gè)模擬輸入通道；
* 1個(gè)數(shù)字輸出通道；
* 分辨率為10位；
* 串行接口；
* 2.5 V內(nèi)部參考電壓；
* 外部參考電壓范圍為1.2 V_VDD；
* 模擬輸入范圍為0_Vref；
* 可通過控制寄存器進(jìn)行軟件控制；
* 電源供電范圍為2.7_5 V。
在本系統(tǒng)中用到2個(gè)模擬輸入通道，分辨率采用10位中的8位。
AD7305是Analog公司的一款D/A轉(zhuǎn)換器，它具有如下一些關(guān)鍵特性：
* 4個(gè)模擬輸出通道；
* 8個(gè)數(shù)字輸入通道；
* 分辨率為8位；
* 并行接口；
* 外部參考電壓范圍為VSS_VDD；
* 模擬輸出范圍為VSS_VDD；
* 電源供電范圍為2.7_5 V。
四、系統(tǒng)構(gòu)成
本作品的體系結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，軟件流程圖如圖2所示。
服務(wù)端應(yīng)用程序
客戶端應(yīng)用程序
網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序
A/D D/A驅(qū)動(dòng)程序
μClinux內(nèi)核
Altera Stratix 1S10
Nios CPU A/D D/A的接口邏輯
語(yǔ)音板

圖1  體系結(jié)構(gòu)

圖2  軟件流程圖
五、設(shè)計(jì)描述
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分，硬件主要是在ALTERA的Stratix板上擴(kuò)充了一塊語(yǔ)音板，用來接受語(yǔ)音的輸入并實(shí)現(xiàn)模/數(shù)的轉(zhuǎn)換；軟件部分是移植μClinux操作系統(tǒng)，編寫A/D板的驅(qū)動(dòng)及上層應(yīng)用程序的開發(fā)。
1．硬件部分
在實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)主要應(yīng)控制AD7811、AD7305的時(shí)序，在模擬信號(hào)輸入時(shí)用運(yùn)放調(diào)整電壓至AD7811能接受的范圍。圖3是語(yǔ)音板時(shí)序控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

圖3  語(yǔ)音板的序控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換
在這里我們用SOPC Builder提供的用戶自定義接口來實(shí)現(xiàn)以下功能：到avalon總線的接口，對(duì)A/D、D/A芯片的控制時(shí)序；按特定采樣率進(jìn)行采樣，利用可讀/寫寄存器任意更改采樣率；采用內(nèi)置緩沖存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，每采樣32次才發(fā)出一次中斷，從而減少CPU中斷的次數(shù)。
SOPC Builder設(shè)置如圖4所示。

圖4  SOPC Builder設(shè)置
部分接口邏輯如下：
when read0 =>    -- read left
   if scnt mod 4 = 1 then
    data0(i) <= DOUT;
   end if;
   if scnt=0 then
    state <= set1;
    scnt <= 39;
   else
    scnt <= scnt - 1;
   end if;
  when set1 =>    -- select right
   if scnt=0 then
    state <= wait1;
   else
    scnt <= scnt - 1;
   end if;
2．軟件部分
首先成功地移植了操作系統(tǒng)，用來管理驅(qū)動(dòng)與上層應(yīng)用程序之間的通信。其次，編寫A/D的驅(qū)動(dòng)以及客戶端和服務(wù)端的應(yīng)用程序，這里系統(tǒng)的兩端都能用作客戶端和服務(wù)端，但要求作為服務(wù)端的應(yīng)用程序應(yīng)先啟動(dòng)偵聽。
A/D的驅(qū)動(dòng)程序主要由以下幾部分組成：讀緩沖區(qū)內(nèi)容、寫入緩沖區(qū)、產(chǎn)生中斷等。以下是寫緩沖的部分示例：
if(w_tail+count<8193)  //能一次寫完
     {
      PRINTK("count=%dn",count);
      for(i=0;i<count;i++)
      {       
       w++;
       get_user(temp,buf+i);
       kbuf_w[w]=temp;
      }

}else //分兩次寫完
 {
  if(w+count-8193>w_front)printk("kbuf_w full!*****n");
  PRINTK("two time:count=%dn",count);
  for(i=0;i<8192-w_tail;i++)
      {       
       w++;
       get_user(temp,buf+i);
       kbuf_w[w]=temp;
      }
      for(w=0;i<count;i++)
      {       
       w++;
       get_user(temp,buf+i);
       kbuf_w[w]=temp;
     }
}
這里緩沖區(qū)的大小是8192個(gè)字節(jié)，采用的是環(huán)狀緩沖區(qū)。
上層應(yīng)用程序分為客戶端和服務(wù)端，在服務(wù)端先啟動(dòng)偵聽，然后運(yùn)行客戶端程序，輸入服務(wù)端IP，建立連接后就能進(jìn)行通信。以下是服務(wù)端程序的部分示例。
while(1)
{
time++;
 if((read_cnt=read(audio,buf_r,512))<0)
 {
  fprintf(stderr,"read from driver error happened or manual quit!n");
  break;
 }
 if(read_cnt==0)continue;
 if((nbytes=read(newfd,buf_w+count,1024))<=0)
{
  fprintf(stderr,"receive from client Error:%sn",strerror(errno));
  break;   
 }
 count+=nbytes/2;
    
 if(write(newfd,buf_r,read_cnt*2)<0)
{
  fprintf(stderr,"Write to client Error:%sn",strerror(errno));  
  break;   
 }
    
 if(time==t)
 {
  if((nbytes=write (audio, buf_w, count)) != count)
  {
    perror ("write to adda driver error!n");      
     break;
  }
 time=0;count=0;
 }
}
六、系統(tǒng)特點(diǎn)
(1)  μClinux的移植。嵌入式μClinux操作系統(tǒng)保持了Linux操作系統(tǒng)幾乎所有的優(yōu)秀特性，比如穩(wěn)定、可剪裁、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能、出色的文件系統(tǒng)等。嵌入式μClinux具有高度靈活的可定制內(nèi)核。μClinux源代碼公開，便于自行開發(fā)各種應(yīng)用軟件。另外，μClinux移植成功后，可以利用Linux下的大量資源，有許多軟件無需修改或者通過少量修改重新編譯后即可以在μClinux下運(yùn)行，從而提高了開發(fā)效率和軟件重用的比例。因此，進(jìn)行Nios CPU的移植具有極其重要的意義和價(jià)值。
(2) 移植了μClinux下的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序是Linux中自帶的驅(qū)動(dòng)程序，但必須修改核心程序以適應(yīng)具體不同品牌的網(wǎng)絡(luò)芯片和不同的SOPC Builder設(shè)置。
(3) 編寫了μClinux下的聲卡(自行開發(fā)設(shè)計(jì)的A/D、D/A板)驅(qū)動(dòng)程序。在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，常常需要根據(jù)數(shù)據(jù)或者處理任務(wù)進(jìn)行外設(shè)定制，比如說為一些非標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)提供接口；或者是通過刪除不必要的外設(shè)特性降低外設(shè)使用的邏輯單元數(shù)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。這正是SOPC Builder的長(zhǎng)處所在。在SOPC Builder中，可以使用用戶自定義邏輯實(shí)現(xiàn)上述外設(shè)定制。只有為這些用戶自定義的外設(shè)開發(fā)合適的驅(qū)動(dòng)程序，才能完成μClinux下的應(yīng)用程序開發(fā)。
(4) 完成了μClinux下的應(yīng)用程序：分別為服務(wù)端和客戶端應(yīng)用程序提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
七、總結(jié)
SOPC是一個(gè)軟件工具，是一種基于IP(Intellegent Property)或者說是平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法，是進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的原型開發(fā)和研究工作的上佳選擇。多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)Nios CPU的支持更使其如虎添翼，因此它必將獲得更大的成功。
成功移植μClinux的經(jīng)驗(yàn)增強(qiáng)了我們對(duì)Nios CPU的信心，加深了我們對(duì)SOPC的認(rèn)識(shí)：SOPC是一種靈活高效的SOC解決方案，具有硬件可編程的靈活性和IP設(shè)計(jì)的重用性。ALTERA提供了大量基本的IP，使用戶能迅速地搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，對(duì)于一些高級(jí)用戶，還能自己添加合適的IP，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和用戶的自主性。
 SOPC Builder中用戶自定義邏輯，使得用戶能很方便地編寫用戶增加的外設(shè)時(shí)序和中斷控制，一方面能增強(qiáng)系統(tǒng)的速度，另一方面又方便了驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序的編寫。
－12－ Nios(r)軟核心嵌入式處理器設(shè)計(jì)大賽優(yōu)秀作品精選

 基于μClinux的IP電話 －11－