VxWorks下基于CS4281聲卡的VOIP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    VOIP的基本原理：通過(guò)聲音的壓縮算法對(duì)聲音數(shù)據(jù)編碼進(jìn)行壓縮處理，然后把這些聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，經(jīng)過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包送至接收地，再把這些聲音數(shù)據(jù)包重組，經(jīng)過(guò)解壓處理后，還原成原來(lái)的聲音信號(hào)，從而達(dá)到由互聯(lián)網(wǎng)傳送聲音的目的。VxWorks是常用的嵌入式操作系統(tǒng)，基于VxWorks的嵌入式開(kāi)發(fā)應(yīng)用非常廣泛。本文試圖在小范圍的以太網(wǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)VxWorks操作系統(tǒng)下基于聲卡的VOIP的嘗試，為某些需要聲卡的嵌入式開(kāi)發(fā)提供支持。

1 VxWorks及聲卡簡(jiǎn)介

    VxWorks是由風(fēng)河(Wind River System Inc.)公司專門(mén)為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一套具有微內(nèi)核、高性能、可伸縮的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)任務(wù)高度、中斷管理，實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信，并能夠根據(jù)用戶的需求進(jìn)行組合。應(yīng)用程序員可以將盡可能多的精力放在應(yīng)用程序本身，而不必再去關(guān)心系統(tǒng)資源的管理。VxWorks是一種功能強(qiáng)大而且比較復(fù)雜的操作系統(tǒng)，VxWorks只占用了很小的存儲(chǔ)空間，并可高度裁減，保證了系統(tǒng)能以較高的效率運(yùn)行。VxWorks的優(yōu)秀特性為編寫(xiě)應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供了極大的便利。在VxWorks下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序既可以嵌入到內(nèi)核中隨系統(tǒng)一起啟動(dòng)，也可以作為可加載模塊在系統(tǒng)啟動(dòng)之后運(yùn)行。本文的聲卡驅(qū)動(dòng)程序采用后一種方式。

    本文選用的聲卡是Cirrus Logic公司的CS4281／AC′97。這是一款功能強(qiáng)大的聲卡，他主要由CS4281和C2S4297A芯片組成。CS4297A是符合AC′97(Audio Codec′97)規(guī)范的一個(gè)混合信號(hào)串行編解碼器。他負(fù)責(zé)對(duì)原始聲音信號(hào)的采樣混音處理，把接收的模擬聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；也將接收的數(shù)字音頻信號(hào)通過(guò)一種特殊的音頻算法轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。CS4281是一個(gè)PCI-Ac′97數(shù)字控制器，他提供串行AC′97編解碼器(如CS4297A)與并行PCI總線之間的接口。

2 總體設(shè)計(jì)

    程序劃分為兩個(gè)模塊：(1) CS4281聲卡的VxWorksPCI驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聲音的錄音和播放；(2) 通信模塊，該模塊負(fù)責(zé)接收驅(qū)動(dòng)模塊的聲音數(shù)據(jù)，并打包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送；接收以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，解包成聲音數(shù)據(jù)傳給驅(qū)動(dòng)模塊。

    低層是聲卡驅(qū)動(dòng)：從麥克風(fēng)進(jìn)來(lái)的聲音在這里記錄，并發(fā)送PCM抽樣聲音數(shù)據(jù)到上層；同時(shí)，聲音數(shù)據(jù)從上層傳來(lái)并發(fā)送到聲卡播放，通過(guò)耳機(jī)輸出。主要有以下幾個(gè)函數(shù)：PCI配置空間的分配，完成聲卡的查找及內(nèi)存映射；CS428l及CS4297的初始化，進(jìn)行一系列的硬件初始化；DMA緩沖區(qū)的分配，用來(lái)緩存聲卡驅(qū)動(dòng)和通信模塊之間的聲音數(shù)據(jù)；取樣率和格式的設(shè)置，選擇合適的取樣率及格式；聲音系統(tǒng)的打開(kāi)及關(guān)閉，控制錄音及播放功能的開(kāi)關(guān)；中斷處理函數(shù)，聲卡驅(qū)動(dòng)和通信模塊之間通過(guò)中斷來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。

    上層是通信部分：聲音數(shù)據(jù)在這里打包成分組通過(guò)網(wǎng)卡發(fā)送出去，從網(wǎng)卡接收來(lái)的數(shù)據(jù)在此解包并交給聲卡驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)的發(fā)送和接收通過(guò)調(diào)用Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 確定取樣率

    結(jié)合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，從諸多的取樣率和格式中，選擇11025 Hz取樣頻率、8 b單聲道。計(jì)算最低的數(shù)據(jù)傳輸率：

2.2 設(shè)置緩沖區(qū)

    如果網(wǎng)絡(luò)中通信量變化較大，將產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)。需要設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)用來(lái)在發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行緩存，以減輕時(shí)延抖動(dòng)的影響，保證通信質(zhì)量。緩沖區(qū)大小應(yīng)適當(dāng)，如果太小，將會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失；如果太大，抖動(dòng)時(shí)延將增長(zhǎng)。

    在x86結(jié)構(gòu)中，頁(yè)面大小是4 kB。這對(duì)DMA緩沖大小是個(gè)限制，因?yàn)镈MA需要位于一個(gè)內(nèi)存頁(yè)面中來(lái)保持緩沖區(qū)的連續(xù)性，且要適應(yīng)基于UDP的Socket通信，我們確定播放DMA緩沖和錄音DMA緩沖大小都為2 kB，并且用“乒乓”技術(shù)在這兩個(gè)緩沖區(qū)間傳輸，那么每1 kB，將有一個(gè)播放中斷和錄音中斷。1 s中的中斷次數(shù)為：1×11k/1k△11。

3 聲卡驅(qū)動(dòng)程序

3.1 PCI局部總線

    本文所選用的聲卡是Cirrus Logic公司的CS4281／AC′97 PCI聲卡，作為一個(gè)PCI設(shè)備，在設(shè)備的初始化階段，他和一般的PCI設(shè)備的步驟相同。

    每一個(gè)PCI總線設(shè)備都有一個(gè)配置寄存器空間，他使目標(biāo)設(shè)備的配置簡(jiǎn)單易行。配置空間是一個(gè)容量為256 B并具有特定結(jié)構(gòu)的地址空間。配置寄存器是PCI設(shè)備的硬件與PCI設(shè)備的初始化軟件及錯(cuò)誤處理軟件之間的信息交換區(qū)，以便軟件對(duì)PCI設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和控制以及PCI設(shè)備向軟件反映設(shè)備狀態(tài)和要求。該空間分為頭標(biāo)區(qū)和設(shè)備關(guān)聯(lián)區(qū)兩部分。一個(gè)設(shè)備的配置空間不僅在系統(tǒng)自舉時(shí)可以訪問(wèn)，而且在其他時(shí)間內(nèi)也可以訪問(wèn)。

3.2 聲卡的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及流程

(1) 聲卡的探測(cè)以及入口

    VxWorks BSP在syslib.c中探測(cè)并初始化系統(tǒng)中的PCI設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備的I／O映射地址，內(nèi)存映射地址以及中斷向量和級(jí)別，這些硬件參數(shù)對(duì)于主芯片的讀寫(xiě)和掛接中斷起到至關(guān)重要的作用。因此，在這里加入聲卡的探測(cè)模塊。然后將探測(cè)到的參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)。

    在聲卡的探測(cè)模塊中，利用的是CS4281／AC′97的廠商標(biāo)識(shí)和設(shè)備標(biāo)識(shí)，得到他的功能號(hào)、總線號(hào)和設(shè)備號(hào)．然后配置他的PCI配置空間，將聲卡的寄存器映射。最后得到聲卡內(nèi)存映射基地址以及中斷向量和級(jí)別。

(2) 入口函數(shù)

    入口函數(shù)主要完成CS4281控制芯片和CS4297編解碼芯片的初始化，DMA緩沖區(qū)內(nèi)存分配，設(shè)置采樣率和格式及掛接中斷等任務(wù)。

    CS4281芯片的初始化要嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[4]的說(shuō)明順序進(jìn)行。CS4297編解碼芯片的初始化主要完成耳機(jī)和麥克風(fēng)的選擇、打開(kāi)，音量設(shè)置等任務(wù)，涉及到的寄存器有PCM_OUT_VOLUME，MASTER_VOLUME，HEAD-PHONE_VOLUME，GENERAL_PURPOSF，MICRO-PHONE_VOLUME，INPUT_MUX_SELECT，RE-CORD_GAIN，GENERAL_PURPOSE。為DMA播放和錄音緩沖區(qū)分配連續(xù)的2 kB內(nèi)存空間，把分配的內(nèi)存空間基地址寫(xiě)入DMA基地址寄存器。在本文中，我們選擇的是8 b單聲道格式和11 025 Hz取樣頻率，經(jīng)過(guò)計(jì)算，把相應(yīng)的值寫(xiě)入DMA引擎模式寄存器，把采樣率寫(xiě)人DACSR和ADCSR。最后利用探測(cè)模塊中取得的中斷向量和中斷級(jí)把中斷號(hào)和中斷處理函數(shù)掛接在一起。

(3) 聲音系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉

    該模塊主要完成錄音的開(kāi)啟和關(guān)閉、播放的開(kāi)啟和關(guān)閉。錄音的開(kāi)啟即把0寫(xiě)入DMA引擎控制寄存器1中的MSK位，且使能中斷；錄音的關(guān)閉即把1寫(xiě)入DMA引擎控制寄存器1中的。MSK位。播放的開(kāi)啟即把0寫(xiě)人DMA引擎控制寄存器0中的MSK位，且使能中斷；播放的關(guān)閉即把1寫(xiě)入DMA引擎控制寄存器0中的MSK位。

(4) 中斷處理程序

    CS4281有一個(gè)中斷狀態(tài)寄存器和一個(gè)中斷屏蔽寄存器，他們對(duì)應(yīng)位意義相同。中斷狀態(tài)寄存器反映了聲卡能產(chǎn)生的幾種中斷。一旦有中斷發(fā)生，分析中斷狀態(tài)寄存器，判斷中斷類型，再做相應(yīng)的處理。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)，如果是播放中斷則釋放播放信號(hào)量，促使上層軟件拷貝聲音數(shù)據(jù)至下層軟件；如果是錄音中斷則釋放錄音信號(hào)量，促使上層軟件從下層軟件取走已到達(dá)的聲音數(shù)據(jù)。最后設(shè)置中斷結(jié)束標(biāo)志。

(5) 播放和發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)流

    播放時(shí)的數(shù)據(jù)流。聲卡中的播放緩沖(上文中所設(shè)的DMA緩沖)和FIFO0(從格式化器formatter接收聲音數(shù)據(jù)，按先入先出方式存儲(chǔ)，供CS4297芯片播放)之間數(shù)據(jù)傳輸由DMA0控制。DMA0引擎盡量保持FIFO0滿。播放緩沖是個(gè)2 kB的內(nèi)存，他的起始地址被寫(xiě)進(jìn)DMA0基地址寄存器(DBA0)。2 047 B(計(jì)數(shù)應(yīng)比所分配的字節(jié)數(shù)小1，因?yàn)橹袛喟l(fā)生于roll-unders模式下)寫(xiě)入DMA0基本計(jì)數(shù)寄存器(DBC0)，DMA0引擎控制從播放緩沖中讀入的字節(jié)數(shù)。當(dāng)播放緩沖半空或空，將產(chǎn)生一個(gè)中斷，促使從上層軟件取數(shù)據(jù)。

    錄音時(shí)的數(shù)據(jù)流。聲卡中的錄音緩沖和FIFO1(從CS4297芯片接收聲音數(shù)據(jù)，按先入先出方式存儲(chǔ)，傳給格式化器formatter)之間數(shù)據(jù)傳送受控于DMA1。DMA1引擎盡量保持FIFO1為空，他同樣也計(jì)算寫(xiě)進(jìn)錄音緩沖的字節(jié)數(shù)。當(dāng)錄音緩沖半滿或滿，將產(chǎn)生一個(gè)中斷，促使上層軟件把數(shù)據(jù)取走。

4 UDP通信

4.1 UDP協(xié)議

    在以太網(wǎng)設(shè)施基礎(chǔ)上，VxWorks使用因特網(wǎng)組件TCP／IP提供的端到端的傳輸能力在位于不同的主機(jī)上的任務(wù)間傳輸用戶數(shù)據(jù)。在VxWorks中，使用Socket作為應(yīng)用程序和TCP／IP協(xié)議的接口。Socket有2種基本類型：可靠的數(shù)據(jù)流SOCK_STREAM，使用TCP協(xié)議；數(shù)據(jù)報(bào)SOCK_DGRAM，使用UDP協(xié)議。

    UDP相對(duì)于TCP有以下一些優(yōu)點(diǎn)[2]：

(1) UDP的報(bào)文短，利于減小傳輸時(shí)延；

(2) UDP是無(wú)連接協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)前不需要建立連接，適合于聲音數(shù)據(jù)這種實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用；

(3) UDP沒(méi)有擁塞控制，因此網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的擁塞不會(huì)使源主機(jī)的發(fā)送速率降低。

    UDP的這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于聲音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸非常重要，這些優(yōu)點(diǎn)將保證傳輸盡可能有一個(gè)短時(shí)延、恒定的速度，因此選擇UDP。

    在無(wú)連接的Socket中，在通信的兩端分別創(chuàng)建客戶機(jī)端和服務(wù)器端，通信雙方在整個(gè)過(guò)程中是平等的，雙方直接通過(guò)Socket調(diào)用來(lái)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)報(bào)。

    UdpClient模塊：創(chuàng)建客戶端Socket；初始化服務(wù)器端地址；FOREVER{調(diào)用UDP發(fā)送模塊；發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器}。

   UdpServer模塊：創(chuàng)建本地地址；創(chuàng)建服務(wù)器端Sock-et；把Socket和本地地址綁定起來(lái)；FOREVER{接收數(shù)據(jù)；調(diào)用UDP接收模塊)。

4.2 UDP發(fā)送

    發(fā)送模塊等待錄音信號(hào)量。如果獲得，表示一些新的數(shù)據(jù)在錄音緩沖中已有效。將把新數(shù)據(jù)從錄音緩沖拷入上層軟件存儲(chǔ)區(qū)，然后通過(guò)Socket把他發(fā)送到另一端主機(jī)。如果上層軟件中的存儲(chǔ)區(qū)滿，丟棄舊分組存入新分組。

4.3 UDP接收

    接收模塊等待從Socket來(lái)的數(shù)據(jù)。如果獲得播放信號(hào)量，表示播放緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)已被播放，將把上層軟件存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)拷入播放緩沖；否則，任務(wù)將被掛起。如果上層軟件中的存儲(chǔ)區(qū)滿，丟棄舊分組存入新分組。

5 遇到的主要問(wèn)題

    在本文所搭建的環(huán)境中，能較好地實(shí)現(xiàn)兩塊聲卡之間的通話。開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要遇到兩個(gè)問(wèn)題：

    (1) 聲卡中沒(méi)有聲音數(shù)據(jù)。聲卡的FIFO緩沖區(qū)及DMA緩沖區(qū)中均沒(méi)有數(shù)據(jù)。經(jīng)分析查出：CS4297芯片中關(guān)于耳機(jī)和麥克風(fēng)的寄存器沒(méi)有打開(kāi)和選中，耳機(jī)和麥克風(fēng)一直處于“mute”狀態(tài)。關(guān)掉"mute'’后，問(wèn)題解決。

    (2) 不能產(chǎn)生中斷。DMA緩沖區(qū)中已有數(shù)據(jù)，根據(jù)程序設(shè)計(jì)，此時(shí)應(yīng)產(chǎn)生中斷，由上層通信模塊取走聲音數(shù)據(jù)，但中斷一直不能產(chǎn)生。經(jīng)分析原因?yàn)椋涸?strong>聲卡探測(cè)程序段獲得的中斷級(jí)直接用作中繼號(hào)來(lái)掛接中斷。解決方法：通過(guò)中斷級(jí)來(lái)獲取中斷向量，再獲取中斷號(hào)，用來(lái)掛接中斷處理程序。