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

VxWorks是由風(fēng)河(Wind River System Inc.)公司專門為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(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)混合信號串行編解碼器。他負(fù)責(zé)對原始聲音信號的采樣混音處理，把接收的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；也將接收的數(shù)字音頻信號通過一種特殊的音頻算法轉(zhuǎn)換成模擬信號。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)從上層傳來并發(fā)送到聲卡播放，通過耳機(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)的打開及關(guān)閉，控制錄音及播放功能的開關(guān)；中斷處理函數(shù)，聲卡驅(qū)動(dòng)和通信模塊之間通過中斷來進(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網(wǎng)卡發(fā)送出去，從網(wǎng)卡接收來的數(shù)據(jù)在此解包并交給聲卡驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)的發(fā)送和接收通過調(diào)用Socket來實(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。

在x86結(jié)構(gòu)中，頁面大小是4 kB。這對DMA緩沖大小是個(gè)限制，因?yàn)镈MA需要位于一個(gè)內(nèi)存頁面中來保持緩沖區(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：111k/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PCI設(shè)備進(jìn)行識別和控制以及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，而且在其他時(shí)間內(nèi)也可以訪問。

3.2 聲卡的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及流程

(1) 聲卡的探測以及入口

VxWorks BSP在syslib.c中探測并初始化系統(tǒng)中的PCI設(shè)備，檢測設(shè)備的I／O映射地址，內(nèi)存映射地址以及中斷向量和級別，這些硬件參數(shù)對于主芯片的讀寫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模塊。然后將探測到的參數(shù)傳遞給驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)。

在聲卡的探測模塊中，利用的是CS4281／AC′97的廠商標(biāo)識和設(shè)備標(biāo)識，得到他的功能號、總線號和設(shè)備號．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，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)過計(jì)算，把相應(yīng)的值寫入DMA引擎模式寄存器，把采樣率寫人DACSR和ADCSR。最后利用探測模塊中取得的中斷向量和中斷級把中斷號和中斷處理函數(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啟和關(guān)閉、播放的開啟和關(guān)閉。錄音的開啟即把0寫入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寫入DMA引擎控制寄存器1中的。MSK位。播放的開啟即把0寫人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)過程中是平等的，雙方直接通過Socket調(diào)用來發(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；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來的數(shù)據(jù)。如果獲得播放信號量，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。開發(fā)過程中，主要遇到兩個(gè)問題：

(1) 聲卡中沒有聲音數(shù)據(jù)。聲卡的FIFO緩沖區(qū)及DMA緩沖區(qū)中均沒有數(shù)據(jù)。經(jīng)分析查出：CS4297芯片中關(guān)于耳機(jī)和麥克風(fēng)的寄存器沒有打開和選中，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)椋涸诼暱ㄌ綔y程序段獲得的中斷級直接用作中繼號來掛接中斷。解決方法：通過中斷級來獲取中斷向量，再獲取中斷號，用來掛接中斷處理程序。