基于SDA80D51的以太電話機(jī)的設(shè)計(jì)

作者Email:  hongxinglu600010@sina.com

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，VoIP(Voice over IP)技術(shù)已經(jīng)成為語音通信技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)強(qiáng)有力的競爭者。VoIP是利用網(wǎng)絡(luò)作為傳輸載體實(shí)現(xiàn)語音通信的技術(shù)，以太電話機(jī)則是以VoIP為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的語音通信終端。在未來的幾年內(nèi)，IP電話必將在電信市場占到舉足輕重的地位，對以太電話機(jī)的研究是符合市場需求并具有巨大的市場潛力和發(fā)展前景。以太電話機(jī)價(jià)格相對昂貴和話音質(zhì)量方面的問題是目前開發(fā)工作的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是基于德國Infineon公司的SDA80D51芯片實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樾酒倪x擇和設(shè)計(jì)上的巧妙，使該話機(jī)具有集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)，具有較高推廣價(jià)值。

二、硬件設(shè)計(jì)

話機(jī)采用SDA80D51芯片和以太網(wǎng)接口芯片RTL8019AS實(shí)現(xiàn)。由于采用了高集成的SDA80D51芯片，使系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，整體硬件成本低廉、集成度較高。

1、SDA80D5l

英飛凌公司生產(chǎn)的SDA80D51芯片是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，是將16位DSP和增強(qiáng)型微處理器(8051微處理器的擴(kuò)展版本)高度集成，并同時(shí)集成有模／數(shù)轉(zhuǎn)換單元(ADC與DAC)，面向語音處理的專用芯片。芯片同時(shí)提供有一個(gè)內(nèi)存控制單元MMU和片上104kb的RAM。它具有程序和數(shù)據(jù)分開的總線結(jié)構(gòu)，流水線操作功能，單周期硬件乘法器和適合數(shù)字信號(hào)處理的高效指令集。此芯片的C編譯能力很強(qiáng)，匯編出的目標(biāo)代碼效率會(huì)更高。正是此芯片高度集成后具備的強(qiáng)大功能和其相對低廉的價(jià)格，使其成為設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的首選。

SDA80D51的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由其組成單元來看，實(shí)現(xiàn)三種主要功能，即語音壓縮(DSP)、系統(tǒng)管理及信令控制(8051微處理器)、語音編碼(CODEC)。語音信號(hào)在芯片集成的語音采樣接口模塊進(jìn)行A／D和D／A轉(zhuǎn)換，語音的壓縮處理則由DSP模塊進(jìn)行，但傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)打包是由這個(gè)C51模塊完成的。編解碼壓縮處理后由控制模塊進(jìn)行對語音的接收發(fā)送控制，同時(shí)主控模塊還要完成對整個(gè)系統(tǒng)控制工作。

圖1 SDA80D51工作原理示意圖

2、網(wǎng)絡(luò)接口控制模塊

網(wǎng)絡(luò)接口控制模塊采用Realtek公司的具有高度集成化的以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。這一芯片具有很多優(yōu)點(diǎn)，已廣為采用。它與NE2000兼容，支持8位、16位數(shù)據(jù)總線；全雙工，收發(fā)可同時(shí)達(dá)到10Mbps，有睡眠模式，可有效地降低功耗；內(nèi)置16kb的SRAM用于收發(fā)緩沖，可減輕主處理器在速度上的壓力；可選擇連接同軸電纜和雙絞線，并可自動(dòng)檢測所連接的介質(zhì)。

系統(tǒng)使用RTL8019AS來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的功能，包括MAC數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，地址識(shí)別，CRC編碼校驗(yàn)，超時(shí)重傳，鏈路完整性測試，信號(hào)極性檢測糾正等。主處理器在RTL8019AS的外部總線上讀寫MAC幀。其中，接收控制器用于將接收的串行數(shù)據(jù)拼成字節(jié)送到CRC校驗(yàn)單元，發(fā)送控制器則是將送來的字節(jié)送到CRC編碼單元并逐個(gè)按位移出；CRC邏輯在接收時(shí)對輸人的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，發(fā)送時(shí)對幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生CRC校驗(yàn)序列，并附加在數(shù)據(jù)尾傳遞；地址識(shí)別邏輯對接收幀的目的地址與預(yù)先設(shè)置的本地物理地址進(jìn)行比較，如不符合要求則拒收。RTL8019AS還使用內(nèi)部存儲(chǔ)緩沖器對與核心控制單元數(shù)據(jù)交換進(jìn)行緩沖，以優(yōu)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度。

3、其它電路設(shè)計(jì)

考慮到協(xié)議代碼的存儲(chǔ)需求，使用一塊FLASH作為擴(kuò)展存儲(chǔ)單元存放代碼，同時(shí)還設(shè)計(jì)了撥號(hào)鍵盤到核心控制單元的控制電路。硬件的設(shè)計(jì)還可以根據(jù)不同的需求，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)其它的增值業(yè)務(wù)功能。

三、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件是基于SDA80D51設(shè)計(jì)開發(fā)的。話機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖2如下：

圖2 以太電話機(jī)軟件框圖

系統(tǒng)軟件開發(fā)以C51的C語言編程為主，對占用系統(tǒng)資源比較大的部分使用匯編語言來完成。程序開發(fā)主要完成網(wǎng)絡(luò)接口控制、TCP／IP協(xié)議棧、RTP／RTCP、H.323協(xié)議棧、語音編解碼和主控程序這6部分。

1、TCP／IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

通常編程環(huán)境中，TCP／IP協(xié)議棧的功能是基于操作系統(tǒng)中相應(yīng)的socket機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，像以太話機(jī)這種嵌入式系統(tǒng)，考慮到操作系統(tǒng)占用資源太大，一般不采用任何操作系統(tǒng)。這樣，只能由用戶編程來完成任務(wù)調(diào)度、存儲(chǔ)器管理和TCP／IP協(xié)議棧等功能。

在協(xié)議棧開發(fā)時(shí)，充分考慮了資源有限，在保證實(shí)現(xiàn)以太電話正常工作的前提下，從兩個(gè)方面進(jìn)行了TCP／IP協(xié)議棧的優(yōu)化，從而使開發(fā)得到的協(xié)議棧程序代碼最少，RAM的需求最低。

（1）、協(xié)議棧本身的優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，只實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧的部分協(xié)議，即：ARP(地址解析協(xié)議)、IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)、ICMP(互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議)、UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議)等5部分。協(xié)議棧的編程采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，采用ARP完成對電話的尋址，通過對相應(yīng)的應(yīng)用程序的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)事件響應(yīng)(如圖3所示)。

圖3 TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)過程示意圖

（2）、協(xié)議功能的優(yōu)化

在對協(xié)議棧優(yōu)化的過程中，結(jié)合系統(tǒng)的使用要求，還針對每個(gè)協(xié)議的一些不必要的功能進(jìn)行了簡化。例如，對于TCP協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)的TCP協(xié)議使用慢啟動(dòng)的滑動(dòng)窗口機(jī)制。在實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議時(shí)，考慮到系統(tǒng)所需傳送的信令數(shù)據(jù)很少，基本不可能產(chǎn)生擁塞，同時(shí)為了減少存儲(chǔ)器的使用，TCP只使用單個(gè)窗口，就變成了一種簡單確認(rèn)的處理方法。所有的處理只是對單個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和確認(rèn)，節(jié)約了系統(tǒng)的資源，也使維護(hù)更加方便。同時(shí)考慮到，話機(jī)系統(tǒng)的突發(fā)事件很少，這樣對于流量控制可以不做考慮。對于差錯(cuò)控制，程序處理過程中只對信令數(shù)據(jù)設(shè)置重傳機(jī)制，而語音數(shù)據(jù)處理不考慮重傳。

（3）、存儲(chǔ)空間的共享

協(xié)議開發(fā)中，為了盡量減少對存儲(chǔ)空間的需求，設(shè)計(jì)使用共用緩存區(qū)用于輸人輸出數(shù)據(jù)的存放。其中RBuff用于存放網(wǎng)絡(luò)接口收到的數(shù)據(jù)，SBuff用于存放要發(fā)送的數(shù)據(jù)。這樣各程序之間只提供相互要處理數(shù)據(jù)所在的指針，就可以完成數(shù)據(jù)的傳遞，從而節(jié)約了大量的存儲(chǔ)空間，同時(shí)也利于工程研發(fā)人員之間的相互協(xié)調(diào)。

2、H.323協(xié)議的信令過程

信令控制過程是H.323以太話機(jī)控制的核心內(nèi)容之一，整個(gè)H．323終端系統(tǒng)的信令控制是由H.245、H.225.0和RAS這3個(gè)協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。在兩個(gè)話機(jī)間建立基于H.323的呼叫連接，需要使用TCP建立兩個(gè)連接。其中第一個(gè)TCP的連接承載的是H.225.0中定義的呼叫建立消息，通常叫做Q.931通道或呼叫信令通道。第二個(gè)TCP連接承載H.245呼叫控制消息，在收到呼入的同時(shí)，被呼叫方也在一個(gè)動(dòng)態(tài)端口上監(jiān)聽TCP的連接。被呼叫方于是在這個(gè)端口上應(yīng)答呼叫接收信息。然后，呼叫方會(huì)隨后在這個(gè)端口上建立第二個(gè)TCP連接。一旦H.245通道建立成功，第一個(gè)連接就不再需要了，任何一端都可以將其關(guān)閉。終端使用H.245通道交換音頻信息格式，即能力交換，并確定主從關(guān)系。同時(shí)通過它打開音頻的邏輯信道，從而建立用于媒體流傳輸?shù)腞TP會(huì)話。H.245通道在會(huì)話過程一直保留，因?yàn)樗€要關(guān)閉媒體通道。

一個(gè)話機(jī)到話機(jī)的基于H.323協(xié)議的簡單呼叫建立過程有5個(gè)階段(如圖4所示)，即呼叫初始化、建立控制通道、呼叫開始、通話和結(jié)束呼叫。

圖4 呼叫建立過程示意圖

在設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)不同于IP電話網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，只需實(shí)現(xiàn)單路連接，同時(shí)考慮到系統(tǒng)資源有限的特點(diǎn)，對H.323協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了很大程度的簡化。其中H.225只實(shí)現(xiàn)四個(gè)，即SETUP、ALERTING、CONNECT、RELEASE COMPLETE；RAS實(shí)現(xiàn)基本的6個(gè)功能，也就是網(wǎng)守發(fā)現(xiàn)、端點(diǎn)登記、端點(diǎn)定位、呼叫接納、呼叫退出和狀態(tài)查詢；建立H.245通道只保留了能力交換、主從確定、開閉邏輯信道和終止會(huì)話消息。在實(shí)現(xiàn)上述3個(gè)協(xié)議的過程中，對于它們每個(gè)消息中的可選項(xiàng)參數(shù)，在編碼時(shí)盡量簡化，解碼時(shí)保留。通過采用上述的措施優(yōu)化H.323信令過程，盡可能的減少了代碼量和存儲(chǔ)器空間，同時(shí)又保證了與其它產(chǎn)品的兼容性。

3、以太話機(jī)中語音的處理過程

以太電話機(jī)進(jìn)行語音傳輸，要完成以下幾個(gè)過程：模擬語音首先經(jīng)CODEC編碼為64K的PCM碼，經(jīng)壓縮形成語音數(shù)據(jù)；語音數(shù)據(jù)再由RTP封裝后再交由UDP進(jìn)行封裝；攜帶語音數(shù)據(jù)的UDP數(shù)據(jù)報(bào)在IP層被封裝為IP包；最后IP包通過以太網(wǎng)接口程序形成以太幀發(fā)送至以太網(wǎng)上傳送；攜帶語音數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)幀在目的話機(jī)被以太網(wǎng)卡接收并拆包恢復(fù)為語音數(shù)據(jù)，其處理是語音發(fā)送的逆過程，語音數(shù)據(jù)解碼為模擬語音送至話筒。

4、系統(tǒng)性能優(yōu)化

嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)中的優(yōu)化十分重要。根據(jù)處理器的性能，盡可能地提高代碼運(yùn)行速度，減少代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，這是系統(tǒng)優(yōu)化所要解決的基本問題。雖然C編譯器提供了一定的代碼優(yōu)化，但編譯器的優(yōu)化僅涉及執(zhí)行速度和代碼大小的平衡，不能使程序達(dá)到小而精，因而必須在開發(fā)程序時(shí)采取一定的優(yōu)化方案。系統(tǒng)調(diào)試中，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)上，采取了以下的措施進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

對于代碼優(yōu)化主要采取以下措施：

（1）、根據(jù)發(fā)生頻率對條件跳轉(zhuǎn)語句排序，提高代碼運(yùn)行速率。
例如switch-case、if這類語句，程序中使用了很多，而每一個(gè)由機(jī)器語言實(shí)現(xiàn)的測試和跳轉(zhuǎn)僅是為了決定下一步要做什么，這樣就浪費(fèi)了處理的時(shí)間。優(yōu)化時(shí)對具體情況按照發(fā)生的相對頻率排序，即把最常發(fā)生的情況放在第一位，最不可能發(fā)生的情況放在最后，這樣會(huì)減少平均的代碼執(zhí)行時(shí)間，從而有效的提高程序的運(yùn)行速度。

（2）、盡量使用全局變量，減少函數(shù)調(diào)用參數(shù)。
這樣比向函數(shù)傳遞參數(shù)效率更高，去除了函數(shù)調(diào)用前參數(shù)入棧和函數(shù)完成后參數(shù)出棧。

（3）、努力減小代碼的大小。

盡量避免使用標(biāo)準(zhǔn)庫例程，很多大的庫例程沒法處理所有可能的情況，會(huì)占用龐大的內(nèi)存空間，因而應(yīng)盡可能地減少使用標(biāo)準(zhǔn)庫例程。 
對于存儲(chǔ)區(qū)優(yōu)化問題，是使用了下面一些方法進(jìn)行的：

（1）、使用前述協(xié)議棧開發(fā)提到的共用緩沖區(qū)的方法。

由于基于協(xié)議的數(shù)據(jù)封裝的特點(diǎn)，在對共用緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，只需在程序中使用地址指針進(jìn)行調(diào)用，這樣在保證系統(tǒng)正常工作的前提下，大幅度減少了對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的需求。同時(shí)，使用指針代替數(shù)組索引還能使代碼運(yùn)行速度加快。

（2）、編程時(shí)將一些固定的數(shù)據(jù)定義為代碼類型，同樣可以有效的減少存儲(chǔ)區(qū)的使用量。

優(yōu)化過程中，還考慮到代碼優(yōu)化與存儲(chǔ)區(qū)占用量的相互影響，以及程序可讀性等問題。綜合考慮以上因素后，通過以上的措施以及對協(xié)議實(shí)現(xiàn)的具體優(yōu)化，得到了優(yōu)化的以太電話系統(tǒng)。在優(yōu)化前的程序，數(shù)據(jù)段需要至少150K字節(jié)；優(yōu)化后的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)段不到70K。同時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)速度也得到較大提高。由此可以看出，對程序的合理優(yōu)化，對提高程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和系統(tǒng)處理速度，都可以起到至關(guān)重要的作用。

四、結(jié)束語

嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)作為嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，越來越多的解決方案在不斷的被提出和驗(yàn)證。本文提出的設(shè)計(jì)是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)上，使用SDA80D51芯片，實(shí)現(xiàn)較高性價(jià)比的以太網(wǎng)電話機(jī)。由于該芯片的集成度很高，設(shè)計(jì)電路時(shí)就省去了許多的相關(guān)模塊，使得設(shè)計(jì)得到的硬件簡單，便于調(diào)試檢測。同時(shí)通過對協(xié)議棧等的優(yōu)化，使系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的低成本，高可靠性等特點(diǎn)。該設(shè)計(jì)得到的樣機(jī)，工作穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)，在以太網(wǎng)環(huán)境的語音傳輸完全可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，整個(gè)設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法是可行的。