引言

近年來(lái)，數(shù)字音頻監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)發(fā)展迅猛，尤其是在廣播領(lǐng)域,該系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)著越來(lái)越重要的角色，另外,在保證音頻信息準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性的條件下，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸也成為一項(xiàng)十分重要的技術(shù)。

本系統(tǒng)以BF533為核心處理芯片，以軟件工具VDSP++的自帶VDK內(nèi)核為基礎(chǔ)，移植了LWIP作為網(wǎng)絡(luò)主要結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了TCP/IP在ADSP-BF533上的移植。同時(shí)在VDK的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)發(fā)Socket服務(wù)器程序，實(shí)現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡(luò)終端與上位機(jī)電腦直接的數(shù)據(jù)傳輸。

1  VDK的組成原理

VDK實(shí)際上是一種帶API函數(shù)庫(kù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核.這是一款規(guī)模很小但卻十分健壯的內(nèi)核，它是VisualDSP產(chǎn)品的一部分，VDK也一樣會(huì)隨VisualDSP進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)或改版。使用VDK從產(chǎn)品維護(hù)的角度來(lái)看，是十分方便的。使用VDK也不會(huì)帶來(lái)附加成本。它具有任務(wù)調(diào)度和任務(wù)管理功能，一共可支持32個(gè)任務(wù)。VDK是整個(gè)軟件的基礎(chǔ),所有其他的程序都運(yùn)行在該Kernel±0VDK的組成部分主要包括線程、調(diào)度、信號(hào)、中斷服務(wù)程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、API等。

VDK的工作原理是首先引入多任務(wù)并且為每個(gè)任務(wù)都分配自己的堆棧空間，然后由任務(wù)調(diào)度器來(lái)決定哪個(gè)任務(wù)獲得內(nèi)核時(shí)間。任務(wù)調(diào)度主要涉及三種方式：

第一是合作調(diào)度方式。該方式是最簡(jiǎn)單的調(diào)度方式，系統(tǒng)中所有線程被賦予相同優(yōu)先級(jí)的調(diào)度權(quán),系統(tǒng)中線程在運(yùn)行態(tài)占用處理器資源,在阻塞態(tài)時(shí)被排列在等待隊(duì)列的最后，也可以自己調(diào)用yield函數(shù)，以使線程退出運(yùn)行態(tài)而進(jìn)入等待隊(duì)列。另外,任何系統(tǒng)調(diào)用都會(huì)引起當(dāng)前正在運(yùn)行的線程阻塞。

第二是時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度方式。時(shí)間片調(diào)度方式給予每一個(gè)優(yōu)先權(quán)相同的線程固定的執(zhí)行時(shí)間間隔。VDK中時(shí)間間隔是通過(guò)設(shè)定tick參數(shù)確定的。

第三是搶先式調(diào)度方式。如果等待隊(duì)列中有比正在運(yùn)行的線程優(yōu)先級(jí)更高的線程，則正在運(yùn)行的線程阻塞后進(jìn)入等待隊(duì)列，等待隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)最高的線程獲得執(zhí)行權(quán)。該方式提供了比其他兩種方式更有效、而且更靈活的調(diào)度方式。對(duì)嵌入式編程者來(lái)講,最熟悉的調(diào)度方式就是“時(shí)間片輪轉(zhuǎn)”的方式,在這種方式下，每個(gè)應(yīng)用程序只占用很短的CPU時(shí)間，用戶(hù)幾乎無(wú)法察覺(jué)它們?cè)谶M(jìn)行輪換。操作系統(tǒng)或VDK會(huì)自動(dòng)地將操作系統(tǒng)的控制權(quán)以輪轉(zhuǎn)調(diào)度或時(shí)間片的方式在所有線程之間進(jìn)行傳遞。每個(gè)線程所得到的處理器控制時(shí)間的長(zhǎng)度由程序員定義。該方式的優(yōu)先級(jí)可以被靜態(tài)地分配，也可以被動(dòng)態(tài)地分配。靜態(tài)分配意味著應(yīng)用程序在創(chuàng)建時(shí)就已經(jīng)被指定好了優(yōu)先級(jí)。動(dòng)態(tài)分配則意味著程序的優(yōu)先級(jí)在其運(yùn)行時(shí)仍能被改變，也就是說(shuō)，在線程實(shí)體化或運(yùn)行時(shí)，其優(yōu)先級(jí)都能被改變。

2  TCP/IP堆棧移植

關(guān)于TCP/IP堆棧移植,ADI提供有快速解決方案，即一個(gè)輕便型堆棧Lwip。Lwip(Light-weightInternetProtocol)是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院(SwedishInstituteofComputerScience)的AdamDunkels等人開(kāi)發(fā)出來(lái)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。Lwip的主要優(yōu)點(diǎn)是可在保持TCP/IP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上，減少其對(duì)RAM的占用。一般情況下，它只要幾十KB的RAM和40KB左右的ROM就可以運(yùn)行，這使得Lwip協(xié)議非常適合在嵌入式系中使用。

Lwip堆棧的調(diào)用基于ADI的驅(qū)動(dòng)模型以及SystemServicesLibraries(即系統(tǒng)服務(wù)函數(shù)庫(kù))。Lwip堆棧支持IP、ARP、ICMP、TCP、UDP等基本協(xié)議，同時(shí)支持一套標(biāo)準(zhǔn)的BSDSocket接口函數(shù)。

3  基于VDK的SOCKET編程

應(yīng)用層通過(guò)傳輸層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，TCP和UDP會(huì)遇到同時(shí)為多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程提供并發(fā)服務(wù)的問(wèn)題。多個(gè)TCP連接或多個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)程可能需要通過(guò)同一個(gè)TCP協(xié)議端口傳輸數(shù)據(jù)。為了區(qū)別不同的應(yīng)用程序進(jìn)程和連接，許多計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序與TCP/IP協(xié)議交互提供了稱(chēng)為套接字(Socket)的接口，以區(qū)分不同應(yīng)用程序進(jìn)程間的網(wǎng)絡(luò)通信和連接。生成套接字主要有3個(gè)參數(shù):通信的目的IP地址、使用的傳輸層協(xié)議(TCP或UDP)和使用的端口號(hào)。Socket的原意是“插座”。通過(guò)將這3個(gè)參數(shù)結(jié)合起來(lái)，與一個(gè)“插座"Socket的綁定，應(yīng)用層就可以和傳輸層通過(guò)套接字進(jìn)行接口，以區(qū)分來(lái)自不同應(yīng)用程序進(jìn)程或網(wǎng)絡(luò)連接的通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟l(fā)服務(wù)。

要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，至少需要一對(duì)套接字，一個(gè)運(yùn)行于客戶(hù)機(jī)端，稱(chēng)之為ClientSocket；另—運(yùn)行于服務(wù)器端,稱(chēng)之為ServerSocket。根據(jù)連接啟動(dòng)的方式以及本地套接字要連接的目標(biāo)，套接字之間的連接過(guò)程可以分為三個(gè)步驟，即服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)、客戶(hù)端請(qǐng)求和連接確認(rèn)。

4  硬件電路設(shè)計(jì)

4.1  ADSP-BF533簡(jiǎn)介

ADSP-BF533處理器是Blackfin系列產(chǎn)品中的一員。其最大工作頻率可達(dá)600MHzoBlackfin處理器內(nèi)核包含有2個(gè)16位乘法器、2個(gè)40位累加器、2個(gè)40位ALU、4個(gè)視頻ALU和1個(gè)40位移位器，可處理來(lái)自寄存器組的8位、16位或32位數(shù)據(jù)。

4.2  LAN91C111簡(jiǎn)介

ADSP-BF533通過(guò)以太網(wǎng)接口可將DSP采集的數(shù)據(jù)信息傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。LAN91C111是SMSC公司生產(chǎn)的專(zhuān)門(mén)用于嵌入式產(chǎn)品的10/100M快速以太網(wǎng)控制器,該器件具有可編程、CRC校驗(yàn)、同步或異步工作方式，并具有低功耗CMOS設(shè)計(jì)和小尺寸等特點(diǎn)。

4.3  ADSP-BF533與LAN91C111的硬件連接

ADSP-BF533與LAN91C111之間的信號(hào)傳輸連接圖如圖1所示。

圖1  信號(hào)傳輸連接圖

該硬件系統(tǒng)由四大部分組成:其中主控芯片選用ADSP-BF533,以太網(wǎng)控制芯片選用LAN91C111,網(wǎng)絡(luò)隔離芯片選用TG110-E050N5,而網(wǎng)口存儲(chǔ)器則選用AT93C46。

由于LAN91C111是專(zhuān)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，因此其外圍電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單。只要將地址總線A1-A15與系統(tǒng)對(duì)應(yīng)相連即可。其A0沒(méi)有被LAN91C1U使用而懸空；數(shù)據(jù)總線D0-D15用于16位數(shù)據(jù)傳輸。LAN91C111端的D16-D32懸空；LAN91C111的片選信號(hào)AEN由DSP提供。字節(jié)選擇引腳BE0和BE1分別接DSP的ABEO和ABE1,而B(niǎo)E2和BE3直接接高3.3V電壓，即選定的是16位操作模式。AEN作為片選信號(hào)，接DSP的AMS3引腳。DSP芯片利用I/O引腳和中斷引腳可實(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)控制器LAN91C111芯片的控制和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)控制器LAN91C1U芯片通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離芯片TG11O-E050N5并經(jīng)RJ45與外面的上位機(jī)相連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。TG11O-EO5ON5是雙絞線驅(qū)動(dòng)/接收器，內(nèi)部有2個(gè)耦合變壓器可用來(lái)傳輸信號(hào)，同時(shí)抑制來(lái)自介質(zhì)的共模噪聲/干擾。AT93C46是一片串行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，該芯片不論寫(xiě)入或讀取數(shù)據(jù)，皆釆用串行傳輸?shù)哪Ｊ絼?dòng)作,串行方式雖然沒(méi)有并行傳輸來(lái)得快速，但是其傳遞遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù),卻可以大量減少使用傳輸線的需求，也縮小了系統(tǒng)整體的占有面積。因此，非常適合用于微控制器或是微處理器。

5  基于VDK的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要完成的任務(wù)是網(wǎng)絡(luò)芯片初始化及接收應(yīng)急信號(hào),接收上位機(jī)指令幀并對(duì)其進(jìn)行解析，同時(shí)將選擇板卡返回指令幀發(fā)送給上位機(jī)。

分析上述任務(wù)，可將應(yīng)用程序分為三個(gè)線程:其中一個(gè)BootThread：lwip_sysboot_threadtype的作用是上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并創(chuàng)建各個(gè)線程，然后激活Echo_Server_Threadlype線程,完成與上位機(jī)的客戶(hù)端建立Socket連接;其次，初始化線程級(jí)別最高;連接成功后，由Echo_Server_Threadlype線程激活Echo_Worker_ThreadType線程，Echo_Worker_ThreadType線程的任務(wù)為通過(guò)recv()函數(shù)接收上位機(jī)指令幀并對(duì)其進(jìn)行功能解析,然后根據(jù)幀功能碼判斷應(yīng)該發(fā)送給上位機(jī)的幀，準(zhǔn)備好上傳數(shù)據(jù),再通過(guò)send。函數(shù)將上報(bào)幀上傳給上位機(jī)并顯示最終處理結(jié)果。

圖2所示是基于VDK的系統(tǒng)線程軟件工作流程。系統(tǒng)上電或復(fù)位后,DSP自啟動(dòng)后，VDK啟動(dòng)線程lwip_sysboot_threadtype開(kāi)始運(yùn)行。在線程lwip_sys-boot_threadtype中進(jìn)行板級(jí)初始化和Lwip協(xié)議棧和網(wǎng)口初始化,接下來(lái)再創(chuàng)建所需要線程。圖3所示是VDK線程的通信工作流程圖。

圖2  VDK線程啟動(dòng)流程

芯片初始化模塊主要完成以下幾項(xiàng)工作：

系統(tǒng)時(shí)鐘速率配置:包括初始化PLL,由PLL_LOCKCNT設(shè)置穩(wěn)定時(shí)間,PLL_CTL控制寄存器設(shè)置VCO與CLKIN之間的倍數(shù)14,通過(guò)設(shè)置PLL_DIV決定SCLK及CCLK的時(shí)鐘，使能PLL中斷；

同步串口(SPI)配置：如果SPI是作為主啟用，SPI使用SPI標(biāo)志寄存器(SPI_FLG)使多達(dá)7個(gè)通用可編程標(biāo)志引腳用作從選擇端。并設(shè)置為0X02,SPISELl使能。FIO_DIR中設(shè)置PF10為輸入，其余均為輸出；

CS8420初始化：即初始化CS8420,則SPI_CTL設(shè)置字長(zhǎng)為16位，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)寫(xiě)入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器時(shí)，SPI使能。設(shè)置為主模式。SPI_BAUD為0x18,波特率大概為512b/s；

激活EchoServerThreadType線程；

由線程銷(xiāo)毀模塊完成對(duì)初始化線程的銷(xiāo)毀。

圖3  VDK線程通信工作流程圖

連接成功后，再由Echo_Server_ThreadType線程激活EchoWorkerThreadType線程。Echo_Worker_ThreadType線程的任務(wù)是通過(guò)recvO函數(shù)接收上位機(jī)指令幀并對(duì)其進(jìn)行功能解析,根據(jù)幀功能碼判斷應(yīng)該發(fā)送給上位機(jī)的幀，準(zhǔn)備好上傳數(shù)據(jù),再通過(guò)send()函數(shù)將上報(bào)幀上傳給上位機(jī)并顯示最終處理結(jié)果。

圖4所示是系統(tǒng)控制板卡與上位機(jī)之間的通信結(jié)果。

圖4  控制板卡與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信界面

6  結(jié)語(yǔ)

本文以BF533為核心處理器，提出了一種基于VDK的網(wǎng)絡(luò)音頻通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的操作對(duì)該方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，該系統(tǒng)可以提高傳輸效率，而且實(shí)時(shí)性好，性能穩(wěn)定。