SDAD的以太网电话机的设计.docx

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SDAD的以太网电话机的设计

基于SDA80D51的以太电话机的设计

一、引言

随着互联网技能的不停生长，VoIP（Voice over IP）技能已经成为语音通信技能领域的一个强有力的竞争者。

VoIP是利用网络作为传输载体实现语音通信的技能，以太电话机则是以VoIP为底子实现的语音通信终端。

在未来的几年内，IP电话必将在电信市场占到举足轻重的职位，对以太电话机的研究是切合市场需求并具有巨大的市场潜力和生长前景。

以太电话机代价相对昂贵和话音质量方面的问题是目前开发事情的重点。

本设计是基于德国Infineon公司的SDA80D51芯片实现的，因为芯片的选择和设计上的巧妙，使该话机具有集成度高、结构简朴、本钱低等特点，具有较高推广代价。

二、硬件设计

话机采取SDA80D51芯片和以太网接口芯片RTL8019AS实现。

由于采取了高集成的SDA80D51芯片，使系统硬件电路结构简朴，整体硬件本钱低廉、集成度较高。

1、SDA80D5l

英飞凌公司生产的SDA80D51芯片是一种具有特殊结构的微处置惩罚器，是将16位DSP和增强型微处置惩罚器（8051微处置惩罚器的扩展版本）高度集成，并同时集成有模／数转换单位（ADC与DAC），面向语音处置惩罚的专用芯片。

芯片同时提供有一个内存控制单位MMU和片上104kb的RAM。

它具有步伐和数据离开的总线结构，流水线操纵功效，单周期硬件乘法器和适合数字信号处置惩罚的高效指令集。

此芯片的C编译能力很强，汇编出的目标代码效率会更高。

正是此芯片高度集成后具备的强大功效和其相对低廉的代价，使其成为设计此系统的首选。

SDA80D51的根本结构如图1所示，由其组成单位来看，实现三种主要功效，即语音压缩（DSP）、系统治理及信令控制（8051微处置惩罚器）、语音编码（CODEC）。

语音信号在芯片集成的语音采样接口模块进行A／D和D／A转换，语音的压缩处置惩罚则由DSP模块进行，但传输的语音数据打包是由这个C51模块完成的。

编解码压缩处置惩罚后由控制模块进行对语音的吸收发送控制，同时主控模块还要完成对整个系统控制事情。

图1 SDA80D51事情原理示意图

2、网络接口控制模块

网络接口控制模块采取Realtek公司的具有高度集成化的以太网控制芯片RTL8019AS。

这一芯片具有许多优点，已广为采取。

它与NE2000兼容，支持8位、16位数据总线；全双工，收发可同时到达10Mbps，有睡眠模式，可有效地低落功耗；内置16kb的SRAM用于收发缓冲，可减轻主处置惩罚器在速度上的压力；可选择连接同轴电缆和双绞线，并可自动检测所连接的介质。

系统使用RTL8019AS来实现以太网媒介访问层（MAC）和物理层（PHY）的功效，包罗MAC数据帧的收发，地点识别，CRC编码校验，超时重传，链路完整性测试，信号极性检测纠正等。

主处置惩罚器在RTL8019AS的外部总线上读写MAC帧。

其中，吸收控制器用于将吸收的串行数据拼成字节送到CRC校验单位，发送控制器则是将送来的字节送到CRC编码单位并逐个按位移出；CRC逻辑在吸收时对输人的数据进行CRC校验，发送时对帧数据产生CRC校验序列，并附加在数据尾通报；地点识别逻辑对吸收帧的目的地点与预先设置的当地物理地点进行比力，如不切合要求则拒收。

RTL8019AS还使用内部存储缓冲器对与焦点控制单位数据互换进行缓冲，以优化系统的数据传输速度。

3、其它电路设计

考虑到协议代码的存储需求，使用一块FLASH作为扩展存储单位存放代码，同时还设计了拨号键盘到焦点控制单位的控制电路。

硬件的设计还可以凭据差别的需求，进行相应的调解，以实现其它的增值业务功效。

三、软件设计

系统的软件是基于SDA80D51设计开发的。

话机软件结构框图2如下：

图2 以太电话机软件框图

系统软件开发以C51的C语言编程为主，对占用系统资源比力大的部门使用汇编语言来完成。

步伐开发主要完成网络接口控制、TCP／IP协议栈、RTP／RTCP、H.323协议栈、语音编解码和主控步伐这6部门。

1、TCP／IP协议栈的实现

通常编程情况中，TCP／IP协议栈的功效是基于操纵系统中相应的socket机制实现的，像以太话机这种嵌入式系统，考虑到操纵系统占用资源太大，一般不采取任何操纵系统。

这样，只能由用户编程来完成任务调理、存储器治理和TCP／IP协议栈等功效。

在协议栈开发时，充实考虑了资源有限，在包管实现以太电话正常事情的前提下，从两个方面进行了TCP／IP协议栈的优化，从而使开发得到的协议栈步伐代码最少，RAM的需求最低。

（1）、协议栈自己的优化

凭据系统的实际需求，只实现TCP／IP协议栈的部门协议，即：

ARP（地点解析协议）、IP（互联网协议）、ICMP（互联网控制报文协议）、UDP（用户数据报协议）、TCP（传输控制协议）等5部门。

协议栈的编程采取事件驱动机制，采取ARP完成对电话的寻址，通过对相应的应用步伐的调用来实现事件响应（如图3所示）。

图3 TCP／IP协议栈实现历程示意图

（2）、协议功效的优化

在对协议栈优化的历程中，结合系统的使用要求，还针对每个协议的一些不须要的功效进行了简化。

例如，对付TCP协议，尺度的TCP协议使用慢启动的滑动窗口机制。

在实现TCP协议时，考虑到系统所需传送的信令数据很少，根本不可能产生拥塞，同时为了淘汰存储器的使用，TCP只使用单个窗口，就酿成了一种简朴确认的处置惩罚要领。

所有的处置惩罚只是对单个数据报的发送和确认，节约了系统的资源，也使维护越发方便。

同时考虑到，话机系统的突发事件很少，这样对付流量控制可以不做考虑。

对付不对控制，步伐处置惩罚历程中只对信令数据设置重传机制，而语音数据处置惩罚不考虑重传。

（3）、存储空间的共享

协议开发中，为了尽量淘汰对存储空间的需求，设计使用共用缓存区用于输人输出数据的存放。

其中RBuff用于存放网络接口收到的数据，SBuff用于存放要发送的数据。

这样各步伐之间只提供相互要处置惩罚数据所在的指针，就可以

图4 呼唤创建历程示意图

在设计中，考虑到系统差别于IP电话网干系统，只需实现单路连接，同时考虑到系统资源有限的特点，对H.323协议栈的实现进行了很大水平的简化。

其中H.225只实现四个，即SETUP、ALERTING、CONNECT、RELEASE COMPLETE；RAS实现根本的6个功效，也就是网守发明、端点登记、端点定位、呼唤采取、呼唤退出和状态查询；创建H.245通道只保存了能力互换、主从确定、开闭逻辑信道和终止会话消息。

在实现上述3个协议的历程中，对付它们每个消息中的可选项参数，在编码时尽量简化，解码时保存。

通过采取上述的步伐优化H.323信令历程，尽可能的淘汰了代码量和存储器空间，同时又包管了与其它产物的兼容性。

3、以太话机中语音的处置惩罚历程

以太电话机进行语音传输，要完成以下几个历程：

模拟语音首先经CODEC编码为64K的PCM码，经压缩形成语音数据；语音数据再由RTP封装后再交由UDP进行封装；携带语音数据的UDP数据报在IP层被封装为IP包；最后IP包通过以太网接口步伐形成以太帧发送至以太网上传送；携带语音数据的以太网帧在目的话机被以太网卡吸收并拆包规复为语音数据，其处置惩罚是语音发送的逆历程，语音数据解码为模拟语音送至发话器。

4、系统性能优化

嵌入式系统在开发中的优化十分重要。

凭据处置惩罚器的性能，尽可能地提高代码运行速度，淘汰代码和数据存储空间，这是系统优化所要解决的根本问题。

虽然C编译器提供了一定的代码优化，但编译器的优化仅涉及执行速度和代码巨细的平衡，不能使步伐到达小而精，因而必须在开发步伐时采取一定的优化方案。

系统调试中，在确保系统稳定事情的底子上，采取了以下的步伐进行系统优化。

对付代码优化主要采取以下步伐：

（1）、凭据产生频率对条件跳转语句排序，提高代码运行速率。

例如switch-case、if这类语句，步伐中使用了许多，而每一个由呆板语言实现的测试和跳转仅是为了决定下一步要做什么，这样就浪费了处置惩罚的时间。

优化时对具体情况凭据产生的相对频率排序，即把最常产生的情况放在第一位，最不可能产生的情况放在最后，这样会淘汰平均的代码执行时间，从而有效的提高步伐的运行速度。

（2）、尽量使用全局变量，淘汰函数调用参数。

这样比向函数通报参数效率更高，去除了函数调用前参数入栈和函数完成后参数出栈。

（3）、努力减小代码的巨细。

尽量制止使用尺度库例程，许多大的库例程没法处置惩罚所有可能的情况，会占用庞大的内存空间，因而应尽可能地淘汰使用尺度库例程。

对付存储区优化问题，是使用了下面一些要领进行的：

（1）、使用前述协议栈开发提到的共用缓冲区的要领。

由于基于协议的数据封装的特点，在对共用缓存区的数据进行处置惩罚时，只需在步伐中使用地点指针进行调用，这样在包管系统正常事情的前提下，大幅度淘汰了对数据存储空间的需求。

同时，使用指针取代数组索引还能使代码运行速度加速。

（2）、编程时将一些牢固的数据界说为代码类型，同样可以有效的淘汰存储区的使用量。

优化历程中，还考虑到代码优化与存储区占用量的相互影响，以及步伐可读性等问题。

综合考虑以上因素后，通过以上的步伐以及对协议实现的具体优化，得到了优化的以太电话系统。

在优化前的步伐，数据段需要至少150K字节；优化后的系统中，数据段不到70K。

同时，系统的响应速度也得到较大提高。

由此可以看出，对步伐的公道优化，对提高步伐运行的稳定性和系统处置惩罚速度，都可以起到至关重要的作用。

四、结束语

嵌入式以太网技能作为嵌入式系统生长的热点之一，越来越多的解决方案在不停的被提出和验证。

本文提出的设计是在现有的以太网嵌入式系统底子上，使用SDA80D51芯片，实现较高性价比的以太网电话机。

由于该芯片的集成度很高，设计电路时就省去了许多的相关模块，使得设计得到的硬件简朴，便于调试检测。

同时通过对协议栈等的优化，使系统到达了预期的低本钱，高可靠性等特点。

该设计得到的样机，事情稳定、可扩展性强，在以太网情况的语音传输完全可以到达预期目标，整个设计方案和实现要领是可行的。