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在高度数字化的智能时代，Linux嵌入式板卡在各个领域都发挥着重要作用，然而，随着4G/5G技术的普及，如何高效、稳定地管理这些嵌入式设备上的无线模块，成为了用户面临的一大挑战——嵌入式设备中的4G/5G模块管理复杂多样，不同品牌和型号的模块各有其独特的配置和上网流程，这不仅增加了用户的学习成本，也导致了网络稳定性难以保障的问题。 为了帮助用户解决这一问题，飞凌嵌入式精心打造了 4G/5G网卡自管理工具 ，旨在以更智能化的管理策略和更灵活的配置方式为用户带来更加便捷的网络管理体验。 一、功能简介 模块层面 4G/5G网卡自管理工具在功能设计上实现了深度与广度的结合。在模块层面，它能够实时获取4G/5G模块的各项关键信息，包括版本、SIM卡状态等，并自动完成拨号上网流程。同时，通过实时监测网络状态，工具能够迅速识别并处理网络异常，无论是短暂还是长时间的异常，都能采取恰当的复位策略，确保网络通信的连续性和稳定性。 应用数据层面 4G/5G网卡自管理工具能够通过ping测试和数据包监测，为网络管理提供了双重保障。这种双重监测机制不仅提高了网络故障的诊断效率，还有效缩短了断网时间，保障了数据传输的实时性和可靠性。 4G/5G网卡自管理工具可以将获取的模块固有信息和SIM卡信息、注网、附着、拨号等状态信息输出到文件，便于客户直观查看。当4G/5G模块不能上网时，综合获取的所有状态，给出问题预判，并写入错误信息文件里。当模块状态发生变化，模块出现异常时，将状态信息和处理措施存入历史日志，便于后续分析故障产生原因。 二、使用说明 1. 将4G/5G网卡自管理工具应用程序模块添加到文件系统里，当客户想使用4G或5G上网功能时，可以开启该应用，它将自行管理4G/5G无线上网功能； 2. 4G/5G网卡自管理工具能够适用市面上绝大部分品牌和类型的4G/5G模块，即使是新品牌模组，仅通过简单修改配置文件即可完成适配； 3. 客户可以通过修改参数文件设置APN、用户名、密码等信息，定制符合自己应用逻辑的复位管理策略； 4. 客户在使用4G/5G无线上网功能时，若发现不能上网，可以通过查看错误信息文件，根据指示内容做对应问题排查；同时，也可随时查看历史何时网络中断过，以及程序如何处理并将无线网络自恢复。 三、总结 飞凌嵌入式推出的4G/5G网卡自管理工具，凭借其智能化的管理策略、详尽的信息记录、智能的预判功能以及灵活的配置方式，能够为用户带来前所未有的网络管理体验。它不仅解决了传统嵌入式设备中4G/5G模块管理复杂多样的问题，还提高了网络的稳定性和可靠性。

传统的语音通信是以公共交换电话网(PSTN)为语音系统进行话音交流，该系统以电路交换为通信基础，信道利用率低、通信资费较高。而随着通信技术和网络的快速发展，越来越多的用户采用IP网络进行语音通信与视频通话，该通信系统采用分组交换为基础，具有灵活的业务扩展能力和低廉的话费价格。从2013年开始到如今，工信部已经发放了两批虚拟运营商牌照，此举必然会进一步推动国内市场的网络语音发展。 本文采用嵌入式处理器、以太网控制芯片、音频处理芯片设计出一款语音通信终端，该终端通过音频采集、播放语音、处理器进行数据处理，通过网卡进行数据传送与接收，从而实现终端的语音通信功能。 1 硬件电路设计 网络语音终端系统硬件由微处理器、以太网通信模块、音频处理模块、电源等模块组成。该终端系统各个模块之间进行数据交互的示意图如图1所示。 图1 系统模块数据交互图 网络语音终端启动音频模块后，从麦克风拾取语音进行A/D转换采集，把语音信号转换为数字信号，经I2S总线送给处理器处理，并通过以太网通信模块把数据发送到IP网络上;从IP网络上把数据取出，经处理器处理后，由I2S总线送给音频模块进行D/A转换，然后把语音信号送给扬声器播放语音。 系统采用S3C2440微处理器实现数据处理，利用DM9000CEP以太网控制芯片来实现与IP网交互，并且采用UDA1341TS音频芯片进行语音采集及播放。其他接口电路比较常见，这里不再赘述。 1.1 以太网通信模块 主控芯片采用三星公司的S3C2440通用32位微处理器，该处理器采用ARM920内核，具有低功耗、处理计算能力强等特点。以太网控制芯片采用DAVICOM(联杰)公司的DM9000CEP芯片。该芯片支持16位数据传输，集成10/100M自适应收发器，可以自动协调功能将自动完成配置以最大限度地适合其线路带宽，且支持IEEE802.3x全双工流量控制。 为实现DM9000CEP与S3C2440的连接，对两者间的数据、地址、控制三大总线进行连接和转换。由于S3C2440是32位微处理器，可寻址1G的地址空间，但其只有27根地址线，理论上只能寻址2的27次方(即128M)的地址范围。所以引出了8根BANK线(对应nGCS0～nGCS7)，用这8根线来选通和关闭不同的存储器，实现1G地址空间的寻址。本文DM9000与S3C2440之间数据交换，是通过NGCS4线选择基址为0x2000 0000来实现的。图2给出了S3C2440与DM9000CEP的连接方法。 图2 DM9000CEP与S3C2440的接口图 1.2 音频处理模块 音频处理芯片选用Philips公司的UDA1341TS音频芯片，该芯片内部集成了立体声的ADC、DAC，可以实现模拟信号和数字信号的相互转换，并可用可编程增益控制(PGA)和自动增益控制(AGC)来对模拟信号进行控制，该芯片还提供数字信号处理功能。微处理器通过L3总线接口对音频芯片进行控制。其与处理器连接图如图3所示。 图3 UDA1341TS与S3C2440的接口图 UDA1341TS音频芯片提供一组I2S总线接口和一组L3总线接口。其中，I2S总线接口包括音频系统时钟线(SYSCLK)、位时钟输入信号线(BCK)、字选择输入线(WS)、数据输出信号线(DATAO)、数据输入信号线(DATAI)。而L3总线接口由时钟线、数据线以及模式选择线组成。S3C 2440处理器通过这两组总线接口实现与UDA1341TS芯片之间的音频数据交互及控制。 2 软件实现 网络语音终端系统软件部分主要由系统初始化、语音采集播放模块、网络通信模块等部分构成。 2.1 系统初始化 使用UDA1341TS芯片与I)M9000CEP芯片之前，需要对芯片内部的寄存器进行初始化。 DM9000CEP芯片的初始化设置工作方式：通过CMD与ADDR2引脚相连，高电平时为数据端口，低电平时为地址端口。CS与NGCS4引脚相连，选择DM9000CEP的端口基址为0x2000 0000，偏移300个单位。发送给DM9000的地址信息固定放在0x2000 0300上，把存放在该地址的数据放在0x2000 0304，采用此方式可对DM9000CEP内部的寄存器进行操作，如启动、复位、TX控制、RX控制以及MAC地址初始化等。其代码如下： UDA1341TS芯片的初始化工作需要与L3的总线连接，该L3总线是MCU通过GPB2、GPB3、GPB4三个引脚来模拟控制，用于处理器配置UDA1341内部的寄存器。UDA1341有两种模式：地址模式和数据传输模式。地址模式表示传输的是地址信息，它的高6位永远是000101，低两位用来表明模式是状态模式、数据0模式还是数据1模式，其中状态模式主要用于配置UDA1341的各类初始状态：采用频率、ADC、DAC等;数据模式主要用于改善音频输入、输出的效果、音量大小调节等。 此外，要初始化S3C2440芯片内部的特殊寄存器，对I2S、DMA、中断相关的各个寄存器进行初始化设置，以及各个引脚功能的设置，如把GPF7引脚设置为EINT7外部中断功能引脚，当以太网网卡接收到数据，此引脚电平就会因中断跳变以使程序进入网卡中断接收处理函数。 2.2 语音采集播放模块 完成实时语音通话，UDA1341TS芯片在录音同时也必须完成放音功能。数据传输使用两个DMA通道。其录音过程为：音频芯片从麦克风中拾取声音信号进行采样、量化、编码，把采集到的数据通过I2S总线传给DMA1通道，并通过内部总线传到内存缓冲区中，之后送给处理器处理。放音：内存从处理器中获取数据，通过内部总线传给DMA2通道，之后通过I2S总线把数据传给音频芯片送给扬声器播音。通过采用DMA通道数据传输方式，处理器不需要花大量时间参与数据的传输，有充足的时间来处理其他事件。 本设计需要实现全双工语音通信功能，本终端采用双缓存的设计方法，缓存处理机制以录音为例，系统在使用缓存2来存放音频设备量化好的数据时，CPU则处理缓存1的数据，当设备填充完缓存2，则转向缓存1进行填充，此时CPU处理缓存2的数据，如此不断循环交替，其处理过程如图4所示。 图4 双缓存处理过程 其录音与播放过程都采用双缓存设计方案，以录音为例，程序流程图如图5所示。 图5 录音程序流程图 2.3 网络通信模块 处理器首先将从麦克风采样的数据信号封装成规定格式(其封装步骤如图6所示，封装到14字节以太网层)，然后把封装好的数据交给DM 9000CEP驱动部分的发送函数dm_tran_packet(unsigned char*datas，intlength)，通过设置TCR的发送请求位将数据发送出去，数据发送过程就是对数据打包的过程。而数据的接收是通过DM9000CEP的网络中断函数DM9000ISR()进行的，网卡每接到一个数据包将会产生一个中断，进入中断处理函数，按规定的格式从数据包中取出其语音数据，之后数据经处理器处理送到扬声器上播放外音。网络各层数据封装如图6所示。 图6 数据封装示意图 语音数据进行封装之后，不管是发送数据帧还是接收数据帧，都需要底层网卡驱动函数提供服务，本文以发送数据帧为例，简述底层网卡驱动原理，在发送数据和接收数据过程中，特别需要注意的是关闭网卡中断，以防打断数据处理过程。DM9000CEP内部有3 KB的SRAM用于 发送数据缓存。在发送之前，数据是暂存在这个SRAM中的。当需要连续发送时，需要用DM9000CEP寄存器MWCMD赋予数据端口，这样就指定了SRAM中的某个地址，并且在传输完一个数据后，指针会指向SRAM中的下一个地址，从而达到连续访问数据的目的。如果在此过程中到达发送数据缓冲区末尾，指针将折回缓冲区的开头。发送数据帧的流程图如图7所示。 图7 发送数据帧流程 3 终端语音测试结果 使用ADS软件将程序编译成可执行文件，下载到语音终端A和B上。在两个终端分别接上麦克风和耳麦进行话音通信，通过实验验证了系统可以进行清晰的语音对话。另外，可将终端A的麦克风接口与函数信号发生器相接，终端B的扬声器接口与示波器相连。函数信号发生器将正弦信号送给终端A，其频率为1 kHz，幅度为100mVpp。在示波器上可以看到经放大的正弦信号，其输出信号波形如图8所示。测试结果表明，该网络语音终端系统可以应用于远程网络语音通信。 图8 终端B输出信号图 结语 本文作者利用嵌入式技术开发的网络语音终端具有可靠性高、控制界面强大以及可扩展性好的特点，使该终端可不通过计算机、直接连上网络进行数据传输，能充分利用现有网络通道实现快捷的语音通话。

TOE 是TCP Offload Engine，即TCP卸载引擎，也叫TCP减负引擎，它旨在使用网卡上集成专用处理器来转移并处理TCP数据包对主CPU请求的任务。TOE技术的实现方式是通过采用TOE芯片的专用网卡，将包括TCP协议在内的四层处理请示从主机处理器转移到网卡，相当于TOE网卡承担了主CPU处理TCP数据的绝大部分任务，减轻了CPU的负荷，其最终的结果是在加速网络响应的同时提高服务器的性能。 1、TOE技术的实现过程 图1  TOE网卡工作原理 TOE网卡主要工作过程如图1所示： （1）服务器A向服务器B传输数据； （2）A主机中的TCP栈向TOE网卡传输数据指针； （3）TOE网卡进行所有TCP协议处理工作并通过网络传递数据包； （4）B主机中的TOE网卡接收数据包，重排数据流并将之存放在内存中。 普通网卡则是先把数据包缓存到主机内存中，然后主机中的TCP协议栈重新组装数据流，最后把数据拷贝到应用程序 。 2、TOE网卡的优势 普通网卡用软件方式进行一系列TCP/IP相关操作，因此，会在三个方面增加服务器的负担，这三个方面是：中断处理、协议处理、数据复制。 2.1 协议处理 图2 TCP/IP卸载前后主CPU占用比例 当网络速度达到G(干兆)比特数量级时，主CPU就越来越繁忙，其中很大一部分处理负荷都是来自对TCP/IP协议的处理，例如对IP数据包的校验处理、对TCP数据流的可靠性和一致性处理，如图2所示。由于目前对TCP/IP协议进行处理都是采用通用CPU及其配套的系统结构，而这种体系下CPU的主要功能是进行通用计算，并非进行输入输出操作。因此在网络带宽和速度飞速发展的情况下，网络链路速度高于CPU对TCP/IP协议栈的处理速度将导致系统的输入输出系统成为网络瓶颈。 2.2 中断处理 传统的处理过程是：网络上每个应用程序在收发大量数据包时，要引发大量的网络I/O中断，对这些I/O中断信号进行响应，成了服务器的沉重负担。比如，一个典型的64Kbps的应用程序在向网络发送数据时，为了将这些数据装配成以太网的数据包，并对网络接收确认信号进行响应，要在服务器和网卡间触发60多个中断事件，这么高的中断率和协议分析工作量已经是相当可观的了。虽然某些网络操作系统具有中断**功能，能够有效减少中断信号的产生，但却无法减少服务器和网卡间响应事件的处理总量。 TCP卸载引擎网卡的工作原理则不同。普通网卡处理每个数据包都要触发一次中断，TCP卸载引擎网卡则让每个应用程序完成一次完整的数据处理进程后才触发一次中断，显著减轻服务器对中断的响应负担。还是以64Kbps的应用程序为例，应用程序向网络发送数据全部完成后，才向服务器发送一个数据通道减负事件中断，数据包的处理工作由TCP卸载引擎网卡来做，而不是由服务器来做，从而消除了过于频繁的中断事件对服务器的过度干扰。网络应用程序在收发数据时，经常是同一数据要复制多份，在这种情形下，TCP卸载引擎网卡发挥的效益最明显。 2.3 数据复制 普通网卡通过采用支持校验功能的硬件和某些软件，能够在一定程度上减少发送数据的复制量，但却无法减少接收数据的复制量。对大量接收数据进行复制通常要占用大量的机器工作周期。普通网卡先将接收到的数据在服务器的缓冲区中复制一份，经系统处理后分配给其中一个TCP连接，然后，系统再将这些数据与使用它的应用程序相关联，并将这些数据由系统缓冲区复制到应用程序的缓冲区。TCP卸载引擎网卡在接收数据时，在网卡内进行协议处理，因此，它不必将数据复制到服务器缓冲区，而是直接复制到应用程序的缓冲区，这种“零拷贝”方式避免了网卡和服务器间的不必要的数据往复拷贝。 表1中列出了TOE技术的测试比较数据，可以明显看出TOE技术在吞吐率和收据收发对CPU占用方面的技术优势。   表1  TOE技术的测试数据     0.5CPUs 3、TOE技术的限制因素 实际上TOE解决方案一直仅限于在8 KB或以上的环境中发送大型数据块的情况。通常，存储备份和检索系统及企业数据库均使用大型数据有效负载。此外TOE应用限制也有诸多限制：修改操作系统、依赖于特定TOE网卡等。 4、TOE技术的推广应用 Adaptec推出一种全新的网络加速卡。该产品将使高强度计算应用中的服务器性能得到提高。Adaptec网络加速器将TCP/IP处理进程从主机中卸载下来，使CPU的处理能力能够被更多地投入到网络化应用中。 WIZnet推出一系列以太网芯片，此系列芯片是一种TOE技术的新思路。以太网芯片，使用逻辑门电路实现全硬件TCP/IP协议栈，独立于MCU运作，负载所有TCP/IP协议栈的处理过程，可以极大减轻主CPU的TCP/IP处理负荷，减少I/O中断次数，传输速度的提高不再是难题，深受市场的青睐 。 参考文献 《TOE技术以及TOE网卡的工作原理》 百度文库 任宏.关于TOE技术的发展及概况的研究 .INFRARED,2005,3:19-25 作者：David