嵌入式語音通信系統(tǒng)中VxWorks BSP的設計實現(xiàn)

0 引 言
    當前普遍使用的DSP語音處理技術只能對語音進行簡單處理，不能適應語音業(yè)務的多樣化趨勢。本文介紹利用MPC860和VxWorks實現(xiàn)綜合語音通信平臺，支持多板卡、多路語音實時傳輸，可擴展多路語音共聽功能。利用MPC860的通信和信號處理功能，且Vx-Works具有占用空間小、執(zhí)行效率高、方便進行個性化定制和較好的兼容性等特點，所以該綜合語音通信平臺在功能、硬件結構、體積、功耗以及靈活性上具有較大優(yōu)勢。
    在設計中盡量采用嵌入式開發(fā)中的常用器件，以便稍加改動即可應用于其他設計?？梢愿鶕?jù)實際需要更改系統(tǒng)中語音通道的數(shù)目和擴展多路語音共聽功能等。

1 系統(tǒng)結構及工作原理
1．1 系統(tǒng)組成及特點
    整個通信平臺由語音通信處理主板和語音采集回放子板組成。語音通信處理主板包括CPU MPC860、FLASH存儲器、SDRAM存儲器、10／100Mb／s網(wǎng)絡接口、RS 232串口、BDM調(diào)試接口、Console接口、供電和復位電路及120pin連接器。通信處理主板的核心MPC860是Motorola公司的一款由MC68360演變而來的通用單片集成嵌入式微處理器，適用于通信和網(wǎng)絡系統(tǒng)。該微處理器內(nèi)部有兩個處理器：PowerPC和32位RISC處理器。PowerPC核同內(nèi)存管理單元(MMU)、指令和數(shù)據(jù)Cache一同處理高層次應用，CPM則負責完成低層數(shù)據(jù)通信。兩個處理器主要通過共享內(nèi)存交互。通信處理模塊利用SCC，SMC，SPI和I2C串行通道與外部設備通信，其中SCC和SMC支持時分復用。設計中，SCC工作在QMC協(xié)議Trans-parent Mode。通信處理模塊(CPM)新增了數(shù)字信號處理(DSP)功能。語音采集回放子板由語音采集電路、語音回放電路、基于FPGA實現(xiàn)的通信控制器和與語音通信處理主板連接的120pin連接器組成。
    由于MPC860的數(shù)據(jù)傳輸速度相比ADC和DAC要快很多，設計相應的邏輯電路控制語音的采集和回放、協(xié)調(diào)MPC860和數(shù)據(jù)采集、回放電路之間的通信是保證系統(tǒng)正常工作的關鍵。文中設計了基于Altera公司的CycloneⅡEP2C8芯片實現(xiàn)的通信控制器來解決這一問題。
    將通信平臺分為語音通信處理主板和語音采集回放子板分別設計實現(xiàn)，是為了降低系統(tǒng)開發(fā)難度和便于系統(tǒng)維護、升級和擴展。例如語音通信處理主板無需改動即可利用已有的連接器、FEC網(wǎng)絡接口和SDRAM存儲器等資源與視頻編解碼芯片、視頻壓縮／解壓縮芯片組成網(wǎng)絡視頻服務器。
1．2 功能結構和工作原理
    語音通信處理主板的功能結構如圖1所示。

    系統(tǒng)上電后，語音通信處理主板復位電路產(chǎn)生復位信號，MPC860接收到復位信號后，跳轉到0X100處開始執(zhí)行啟動代碼。按照BSP配置逐步執(zhí)行CPU初始化、板上其他硬件電路的初始化、操作系統(tǒng)運行所需數(shù)據(jù)結構的初始化、啟動VxWorks WIND內(nèi)核、創(chuàng)建UserRoot任務、初始化系統(tǒng)中用到的可選擴展模塊(如I／O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議等)、創(chuàng)建任務usrAppInit()，此時語音通信平臺準備就緒，可以執(zhí)行語音通信任務。采集板的功能結構如圖2所示，語音通信處理主板啟動完畢后，語音采集回放子板可在通信控制器控制下采集和回放語音，并對語音數(shù)據(jù)進行壓縮編解碼和IP封裝、解封裝處理。

1．3 數(shù)據(jù)處理流程
    MPC860T和ADC AD7825，DAC AD7305之間的通信由通信控制器控制。通信控制器由數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(Rx FIFO，Tx FIFO)，基于FSM(有限狀態(tài)機)實現(xiàn)的控制邏輯(Rx control，Tx control)和8位串并、并串轉換器，時鐘電路組成。其數(shù)據(jù)接收過程為：接收控制邏輯(Rx control)控制ADC AD7825將各個通道的語音數(shù)字化，并把轉換結果存入接收緩沖區(qū)(Rx FIFO)，直至Rx FIFO滿時Rx control開始向MPC860T提供周期性幀同步信號，頻率為32 kHz。MPC860在幀同步信號和時鐘信號的驅動下讀取Rx FIFO中的數(shù)據(jù)到SCC數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)。Rx FIFO讀空(即讀指針追上了寫指針)后，Rx control停止向MPC860發(fā)送幀同步信號終止數(shù)據(jù)傳輸，同時向MPC860發(fā)送中斷信號IRQ3，MPC860響應中斷把數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)讀到接收ring buffer中等待應用程序處理。其數(shù)據(jù)發(fā)送過程為：MPC860完成IP解封裝、解壓縮后的語音數(shù)據(jù)將會在檢測到發(fā)送緩沖區(qū)可用時，輸出到SCC發(fā)送緩沖區(qū)，通信控制器提供發(fā)送幀同步信號驅動數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋x FIFO(發(fā)送緩沖區(qū))，待到Tx FIFO滿時停止發(fā)送幀同步信號。數(shù)據(jù)發(fā)送完后，CPM會清零，TxBD)中的R位表示MPC860可向SCC發(fā)送緩沖區(qū)中裝入新的數(shù)據(jù)，為下次傳輸做準備。
1．4 QMC通信協(xié)議
    多通道控制器(QUICC Multichannel Controler，QMC)是為了實現(xiàn)時分復用數(shù)據(jù)傳輸而設計的，它可以把時分復用幀的數(shù)據(jù)分發(fā)到多達64個邏輯通道。該模式下把每一幀的數(shù)據(jù)劃分成若干個時隙(Timeslots)，每時隙8 b。在時隙分配表中規(guī)定每時隙數(shù)據(jù)從屬于某個通道，每個通道都有一組特定的緩沖區(qū)描述符和相應的緩沖區(qū)。一個時隙的數(shù)據(jù)在收發(fā)時被放置在特定的緩沖區(qū)里，MPC860T就可把分散的數(shù)據(jù)聚集在一起發(fā)送，或把聚集在一起的數(shù)據(jù)分發(fā)到各自專用的緩沖區(qū)，而不需要額外的處理來區(qū)分各種各樣的數(shù)據(jù)流。

2 BSP 設計實現(xiàn)
    設計中軟件開發(fā)主要包括啟動代碼的編寫、操作系統(tǒng)的移植、硬件驅動程序和語音編、解碼和IP封裝、解封裝應用程序。篇幅有限，本文僅介紹BSP移植。BSP即板級支持包，其功能為硬件、軟件初始化、工程影像的下載和設備驅動等。
2．1 BSP的定制
    無論是BootRom還是VxWorks都要使用BSP代碼，BSP定制需要根據(jù)硬板配置、系統(tǒng)設計需求、軟件功能等實際情況。實際開發(fā)過程中，為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，通常以WINDRIVER公司的BSP模板或者第三方公司提供的可供參考的BSP為基礎，根據(jù)軟硬件具體配置進行修改，添加新的程序驅動新增硬件和功能。本課題中先把APC860開發(fā)板的BSPMPC860TEVB拷貝到installdir：＼Tornado＼target＼collfig＼ppcs860目錄下，主要做下列修改。
2．1．1 config．h文件
    根據(jù)實際情況，需要修改啟動行，內(nèi)存地址、容量等配置，修改部分代碼如下：

   
2．1．2 makefile文件的修改
    makefile文件的修改，部分程序如下：

   
[!--empirenews.page--]2．1．3 romInit文件修改
    romlnit．s模塊包含了VxWorks在ROM中的入口點romlnit()，它是單板上電以后最先執(zhí)行的匯編程序代碼。該函數(shù)功能包括處理器的復位、內(nèi)存的初始化以及其他的最基本和必要的初始化工作。需要修改的內(nèi)容如下：
    內(nèi)部存儲器映射寄存器IMMR。該寄存器用來標識內(nèi)部地址空間的基址，將該寄存器設置為“FF000000”。
    SIU模式配置寄存器SIUMCR。包括有外部總線仲裁器配置，外部master的支持，DEBUG調(diào)試端口配置，系統(tǒng)接口引腳配置以及奇偶校驗支持，將該寄存器設置為“00E10000”。
    BSP中討論SDRAM的初始化過程，首先對MAMR寄存器的初始化，再得到UPM的RAM陣列表的地址，然后將RAM陣列表地址中的值寫入MPC860 RAM WORDS ARRAY中，最后初始化OR以及BR寄存器。
2．1．4 ppcs860．h
    ppcs860．h是參數(shù)配置頭文件，該文件包含大量宏定義，為使MPC860T正常運行且SCC串口工作在QMC協(xié)議透明模式，根據(jù)實際需要做了如下配置：
    (1)修改系統(tǒng)常量對應的宏定義：SCCx參數(shù)在雙端口RAM中存儲的起始地址、緩沖區(qū)描述符(BD)的基地址、緩沖區(qū)和BD的數(shù)目等；
    (2)串口和時隙分配表的初始化，主要包括時隙分配、引腳分配等，通過設置SI RAM參數(shù)，規(guī)定了每個邏輯通道對應的時隙和數(shù)據(jù)路由，本系統(tǒng)中選擇SCC2和TDMB接口實現(xiàn)QMC通信，引腳配置如下：
    PC6 RSYNC，PA2 RXC，PA10 RXD，PA0 TXC。PA11 TXD
    (3)SCC2初始化：設置SCC2工作在QMC模式；
    (4)QMC全局參數(shù)初始化：MCBASE(多通道基地址指針)，初始化為SCC2對應外部BD表的基地址，MRBLR(最大接收緩沖區(qū)長度)，接收、發(fā)送時隙分配表起始地址的指針(Rx S PTR，Tx S PTR)，接收、發(fā)送時隙分配表當前時隙的指針(Rx PTR，TxPTR)，中斷循環(huán)表基地址(INTBASE)，中斷循環(huán)表下一可用入口的指針(INTPTR)等；
    (5)QMC特定通道參數(shù)初始化：TBASE，RBASE(該邏輯通道的緩沖區(qū)描述符的起始地址)，TBPTR，RBPTR(當前發(fā)送、接收緩沖區(qū)描述符指針)，TMR-BLR(最大接收幀長度)等。
2．1．5 驅動程序
    驅動程序直接對硬件操作，實現(xiàn)硬件和操作系統(tǒng)、應用程序之間的交互。需要自行編寫MPC860 SCC串口驅動程序ppcs860QmcSio．c，通信平臺中SCC工作在QMC Transparent模式。ppcs860QmcSio．c文件中包含SIO_DRV_FUNCS結構體中定義的5個函數(shù)和中斷處理函數(shù)ppc860QmcInt()、Qmc邏輯通道復位函數(shù)ppc860QmcChannelReset()。ppc860SccIoctl()提供了一些設備控制選項，包括停止數(shù)據(jù)傳送、察看當前通信狀態(tài)(空閑還是忙)、輪詢或中斷模式選擇等；ppc860sccInt()處理QMC通道的中斷請求，通過中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能；ppc860SccStartuP()函數(shù)啟動一個發(fā)送周期；ppc860SccCallbackInstall()安裝回調(diào)函數(shù)。中斷處理函數(shù)的功能有：
    (1)提供接收、發(fā)送中斷處理函數(shù)，調(diào)用回調(diào)函數(shù)完成設備和較高層協(xié)議之間的數(shù)據(jù)傳送。
    (2)處理數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)的接收數(shù)據(jù)過長，數(shù)據(jù)傳送被迫終止等異常。由于不需要QMC的輪詢模式，因此ppc860SccPollInput()和ppc860SccPollOutput()以NULL函數(shù)的形式實現(xiàn)。同時還要編寫sysSccSeri-al．c文件，修改sysLib．c文件和usrConfig．c文件。在sysSccQmc．c中提供SCC設備描述符的初始化例程、SCC中斷連接例程等；通過修改sysLib．c和usrCon-fig．c文件以實現(xiàn)VxWorks對QMC驅動程序的調(diào)用和QMC驅動程序與TTY系統(tǒng)的掛接。
2．1．6 通道中斷處理過程
    數(shù)據(jù)收發(fā)的核心是中斷處理函數(shù)。QMC中的所有邏輯通道共享SCC2的中斷，SCC2維持有一個全局中斷表，表中每一項里面都含有邏輯通道號和中斷源，可以被驅動識別以處理不同情況下出現(xiàn)的事件。中斷發(fā)生時，驅動從SCCE寄存器里面判斷全局中斷源，如果中斷是由邏輯通道引起，中斷服務程序便查找全局中斷表以找到該邏輯通道，并從中斷條目里面檢查中斷信息以確定是什么類型，再調(diào)用相應的收發(fā)和錯誤處理函數(shù)。
2．1．7 數(shù)據(jù)接收和發(fā)送
    多通道語音通信系統(tǒng)中MPC860T SCC串口時分復用即工作在QMC模式，邏輯通道的通信協(xié)議為Trasparent mode，該協(xié)議僅傳輸二進制數(shù)據(jù)，不對數(shù)據(jù)流進行位級操作，不區(qū)分數(shù)據(jù)幀中的格式位、起止位和數(shù)據(jù)位等，不對接收的數(shù)據(jù)做檢錯處理，因而具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。
    接收函數(shù)由中斷服務例程調(diào)用。由于是每接收一幀產(chǎn)生一次中斷，故接收函數(shù)也每次處理一幀的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的接收由接收描述符RxBD控制。當要接收數(shù)據(jù)時，接收函數(shù)首先需要確定RxBD有效；確定沒有問題后，才將數(shù)據(jù)從接收緩沖區(qū)拷貝到接收Ring buffer，并復位RxBD；否則在進行相應錯誤處理后復位RxBD。接收函數(shù)流程如圖3所示。

    數(shù)據(jù)發(fā)送不調(diào)用中斷處理函數(shù)，發(fā)送函數(shù)檢測到發(fā)送緩沖區(qū)可用(即TxBD中R位為1)后，調(diào)用回調(diào)函數(shù)將數(shù)據(jù)從發(fā)送Ring buffer拷貝到串口發(fā)送緩沖區(qū)(Txbuffer)。這里為發(fā)送功能開辟足夠大的環(huán)形緩沖區(qū)(足以容納應用程序每一幀的數(shù)據(jù))。發(fā)送函數(shù)流程如圖4所示。
2．2 BSP調(diào)試方法和遇到的問題
2．2．1 調(diào)試方法
    開發(fā)調(diào)試有兩種方法，一種是使用仿真器通過BDM(后端調(diào)試模式)一步步地跟蹤調(diào)試，另一種是通過點燈的方式進行所謂的“黑”調(diào)?！昂凇闭{(diào)的方法是通過“燈”閃、用示波器測片選等，根據(jù)外部現(xiàn)象和所編的測試代碼進行比較分析來調(diào)試程序。進行“黑”調(diào)的目的是調(diào)通信串口部分代碼，宿主機可以通過串口與目標機的通信，然后再調(diào)試其他部分。調(diào)試流程分成兩部分。首先是預內(nèi)核啟動代碼(Pre-Kernel Initializa-tion)，待最小內(nèi)核啟動正常后再添加I／O系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)等組件和調(diào)試應用程序。使用仿真器Vi-sion Probe通過BDM方式調(diào)試BSP并將BootRom映像燒入FLASH。
2．2．2 調(diào)試中遇到的問題
    (1)系統(tǒng)無法正常復位
    在調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)MPC860T的CLKOUT引腳無輸出信號，系統(tǒng)上電復位過程沒有完成，系統(tǒng)無法正常工作。初步判斷是硬件問題。用萬用表和示波器逐步檢查上電復位、硬件復位、軟件復位、時鐘輸入和BDM調(diào)試等模塊電路，發(fā)現(xiàn)正常。判斷是BGA焊接出現(xiàn)問題，將芯片取下，重新焊接，系統(tǒng)復位正常，時鐘信號輸出穩(wěn)定正常。
    (2)網(wǎng)絡無法與外界通信
    100 Mb／s快速以太網(wǎng)驅動加載中，網(wǎng)絡層協(xié)議無法運行，目標板無法與外界網(wǎng)絡建立聯(lián)系。目標板網(wǎng)絡啟動時發(fā)出的MAC地址信息幀外界無法收到。通過仿真器發(fā)現(xiàn)程序單步運行正常。經(jīng)過反復試驗和測試，最終發(fā)現(xiàn)因SDRAM初始化程序沒有運行導致程序運行(需要SDRAM支持突發(fā)模式)出錯。更改調(diào)試方式，將BootRom開始的所有程序燒入FLASH，上電啟動，網(wǎng)絡正常，目標板與外界建立良好的網(wǎng)絡通信。

3 結 語
    該系統(tǒng)在實際測試中話音質(zhì)量穩(wěn)定，測試時聲音清晰，沒有串擾和雜音，沒有較大延遲，說明硬件設計正確完備，QMC驅動程序和語音編解碼和IP封裝與解封裝應用程序性能優(yōu)良。
    如果板卡上語音通道更多，則每幀的時隙增多、長度增大，因為FPGA內(nèi)部電路所提供的的幀同步信號周期并不改變，所以只是實際數(shù)據(jù)傳輸速率提高，可以保證各路語音的同步和實時性。系統(tǒng)中QMC工作在Transparent Mode限制了它的應用范圍，如何改進使系統(tǒng)支持多種通信協(xié)議是需要進一步研究的問題。