一、系統概述
　　IP是國際互聯網協議(Internet Protocol)的簡稱,IP 電話是按照國際互聯網協議規定的網絡技術開通的電話業務,它通過發送IP包來傳輸話音業務,其基本原理是：通過語音壓縮算法對話音進行壓縮編碼處理,然后把這些語音數據按IP等相關協議進行打包,經過IP網絡把數據包傳輸到目的地,再把這些語音數據包連接起來,經過解碼、解壓縮處理后,恢復成原來的語音信號,從而達到由IP網絡傳送話音的目的。
　　Internet話音業務正在獲得飛速發展,其主要原因有以下兩點：首先是價格低廉,相同的通話時間,通過Internet話音服務的費用僅僅為通過傳統話音服務費用的幾分之一,甚至幾十分之一;其次,隨著技術的發展,IP電話的話音質量有了很大的提高,克服了以往話音質量低劣、延遲長、經常掉線等缺陷。
目前專家普遍認為VoIP將代表電話技術未來的發展方向,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電話時代即將到來,Frost & Sullivan調研公司的報告中預計,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、單指令流的RISC處理器,又是一種軟核CPU,專門針對可編程邏輯器件進行了優化,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合,構成完整、功能強大的SOC系統,在嵌入式系統的設計中已成為趨勢。
　　嵌入式操作系統是嵌入式系統的靈魂,可以顯著提高軟件開發效率和進行軟件復用。針對當前日益復雜的嵌入式系統開發,應用操作系統是保證產品面市時間的關鍵。嵌入式μClinux操作系統是一種性能優良、源碼公開且被廣泛應用的的免費嵌入式操作系統,具有高度靈活的可定制內核。
目前尚無Nios CPU的免費移植版本,為了完成參賽作品,我們自行移植了μClinux操作系統的Nios CPU版本,繼而在μClinux操作系統上完成了IP電話的設計開發。


二、功能說明
　　基于μClinux的IP電話分為服務端(接受方)和客戶端(呼叫方)。發起通話請求的一端稱為客戶端,另一端則為服務端。根據不同應用場景,服務端和客戶端可以調換角色,也就是說,任意一端都可以發起通話請求。
客戶端發起通話請求,輸入服務端IP地址,兩端通過網絡連接成功后,利用麥克風和聽筒,就可以進行通話了。
本作品的實現分為硬件和軟件兩個部分。
　　硬件部分進行A/D、D/A板的開發設計,以實現電話語音的數/模和模/數轉換功能。采用AD7811、AD7305等芯片,實現了A/D,D/A的控制時序邏輯以及采樣率的設置等功能。
軟件實現主要包含以下四個步驟：
　　,將嵌入式操作系統μClinux移植到Nios處理器上。
　　第二,移植μClinux下的smc lan9111c1網卡驅動程序,實現IP連接。
　　第三,開發μClinux下語音板(自行開發設計)的驅動程序。
　　第四開發μClinux下的應用程序,實現IP電話功能,分別為服務端和客戶端應用程序,提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
三、性能參數
　　語音板AD7811采用的是Analog公司的一款A/D轉換器,它具有如下一些關鍵特性：
　　* 4個模擬輸入通道;
　　* 1個數字輸出通道;
　　* 分辨率為10位;
　　* 串行接口;
　　* 2.5 V內部參考電壓;
　　* 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行軟件控制;
　　* 電源供電范圍為2.7_5 V。
　　在本系統中用到2個模擬輸入通道,分辨率采用10位中的8位。
　　AD7305是Analog公司的一款D/A轉換器,它具有如下一些關鍵特性：
　　* 4個模擬輸出通道;
　　* 8個數字輸入通道;
　　* 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、系統構成
　　本作品的體系結構框架如圖1所示,軟件流程圖如圖2所示。
　　服務端應用程序
　　客戶端應用程序
　　網卡驅動程序
　　A/D D/A驅動程序
　　μClinux內核
　　Altera Stratix 1S10
　　Nios CPU A/D D/A的接口邏輯
　　語音板
　　　　　　　　　　　　　



圖1 體系結構
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

圖2 軟件流程圖
五、設計描述
　　本系統的設計分為硬件和軟件兩部分,硬件主要是在ALTERA的Stratix板上擴充了一塊語音板,用來接受語音的輸入并實現模/數的轉換;軟件部分是移植μClinux操作系統,編寫A/D板的驅動及上層應用程序的開發。
　　1．硬件部分
　　在實現語音模/數轉換時主要應控制AD7811、AD7305的時序,在模擬信號輸入時用運放調整電壓至AD7811能接受的范圍。圖3是語音板時序控制狀態轉換圖。

　　圖3 語音板的序控制狀態轉換
　　在這里我們用SOPC Builder提供的用戶自定義接口來實現以下功能：到avalon總線的接口,對A/D、D/A芯片的控制時序;按特定采樣率進行采樣,利用可讀/寫寄存器任意更改采樣率;采用內置緩沖存儲采樣數據,每采樣32次才發出一次中斷,從而減少CPU中斷的次數。
　　SOPC Builder設置如圖4所示。



　　圖4 SOPC Builder設置
　　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,用來管理驅動與上層應用程序之間的通信。其次,編寫A/D的驅動以及客戶端和服務端的應用程序,這里系統的兩端都能用作客戶端和服務端,但要求作為服務端的應用程序應先啟動偵聽。
A/D的驅動程序主要由以下幾部分組成：讀緩沖區內容、寫入緩沖區、產生中斷等。以下是寫緩沖的部分示例：
if(w_tail+count<8193) //能一次寫完
{
PRINTK("count=%d\n",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=%d\n",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;
}
}
這里緩沖區的大小是8192個字節,采用的是環狀緩沖區。
　　上層應用程序分為客戶端和服務端,在服務端先啟動偵聽,然后運行客戶端程序,輸入服務端IP,建立連接后就能進行通信。以下是服務端程序的部分示例。
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:%s\n",strerror(errno));
break;
}
count+=nbytes/2;

if(write(newfd,buf_r,read_cnt*2)<0)
{
fprintf(stderr,"Write to client Error:%s\n",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、系統特點
　　(1) μClinux的移植。嵌入式μClinux操作系統保持了Linux操作系統幾乎所有的特性,比如穩定、可剪裁、強大的網絡功能、出色的文件系統等。嵌入式μClinux具有高度靈活的可定制內核。μClinux源代碼公開,便于自行開發各種應用軟件。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下運行,從而提高了開發效率和軟件重用的比例。因此,進行Nios CPU的移植具有極其重要的意義和價值。
　　(2) 移植了μClinux下的網絡驅動程序。網絡驅動程序是Linux中自帶的驅動程序,但必須修改核心程序以適應具體不同品牌的網絡芯片和不同的SOPC Builder設置。
　　(3) 編寫了μClinux下的聲卡(自行開發設計的A/D、D/A板)驅動程序。在一個嵌入式系統的設計中,常常需要根據數據或者處理任務進行外設定制,比如說為一些非標準的外設提供接口;或者是通過刪除不必要的外設特性降低外設使用的邏輯單元數,從而提高整個系統的性能。這正是SOPC Builder的長處所在。在SOPC Builder中,可以使用用戶自定義邏輯實現上述外設定制。只有為這些用戶自定義的外設開發合適的驅動程序,才能完成μClinux下的應用程序開發。
　　(4) 完成了μClinux下的應用程序：分別為服務端和客戶端應用程序提供IP電話的電話呼叫和等待通話功能。
七、總結
　　SOPC是一個軟件工具,是一種基于IP(Intellegent Property)或者說是平臺的設計方法,是進行嵌入式系統的原型開發和研究工作的上佳選擇。多種實時操作系統對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的經驗增強了我們對Nios CPU的信心,加深了我們對SOPC的認識：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設計的重用性。ALTERA提供了大量基本的IP,使用戶能迅速地搭建一個簡單的系統,對于一些用戶,還能自己添加合適的IP,極大地增強了系統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時序和中斷控制,一方面能增強系統的速度,另一方面又方便了驅動程序和上層應用程序的編寫。
－12－ Nios(r)軟核心嵌入式處理器設計大賽作品精選