将多个多媒体声音卡配置成一个局域网的 方法和装置 本发明与一种分布式计算环境有关，在此环境中多个用户需要与一个特定的计算机程序例如一个多媒体应用进行交互的能力。具体地说，本发明提供一个局域网(LAN)形式的分布式环境，它有一个主系统和至少一个从系统，其中主系统和从属系统上的用户都可以相互访问，并且互相交互，以及与在主系统或从属系统上运行的应用程序进行交互。
计算机系统和应用程序的许多用户，或者潜在用户，都在有限的预算内工作。该类用户的一个很好的例子是购买教育计算机的学校系统。在很多情况下，把多个计算机系统互联成网络以节省资金是值得考虑的。就是说，使用网络可以使网上的系统在没有硬盘、磁盘驱动器，以及其它一些昂贵的可选设备的情况下运行。象LAN适配器和电缆之类的设备比起独立系统所需的印字机和其它选件要便宜得多。再有，取得应用程序的一个多用户拷贝的许可，比起同一个应用程序的多个拷贝的许可通常要便宜。
不幸的是，对于预算的顾虑也同样影响着多媒体系统这样的极好的教学工具的应用。多媒体应用把文本、图形和声音这些保持学生注意力地东西结合起来，从而创建一个积极的学习环境。但是，由于预算的限制，多数学校系统不可能购买所需数量的计算机系统以满足学生们对于这些多媒体或其它学习程序的充分的访问。一般地，学校或者只能购买一套多媒体系统由许多学生分享，以至达不到理想的学习条件，或者推迟购买这些多媒体计算机系统，直至有了更多资金，从而剥夺了现在的学生接触一些极好的交互式学习工具的机会。因此可以看出为什么一个提供低价的LAN的系统是可取的，因为它允许学校系统，或者其它有多个用户的团体或组织把多个便宜的计算机系统互联成为一个网络。尽管配置成局域网的分布式计算机系统现在已经有了，但这些系统还是十分昂贵，其价格令许多潜在用户望而却步。与之对照，本发明把这些相对便宜的声音卡的声音输入和输出连起来，把多个计算机系统配置成一个局域网，它能够同时处理数据和声音信息。
当前的声音适配卡一般包含一个数字信号处理器(DSP)，数模转换器(DAC)，模数转换器(ADC)，乐器数字接口(MIDI)，存储器缓冲这类东西。这些声音卡一般用于把获得的声音文件进行数字处理以重放给用户，或者类似目的。左右立体声道的输入和输出都在标准声音卡上提供。
美国专利第4,955,019号是一个数字交换网络，其中信道被有选择地赋予在多个具有线路终端设备的用户系统之间的通信。该发明允许多个终端设备多对之间的同时多重通信，它们交换请求信息以建立通信子信道。美国专利第5,034,808号描述了一个视频和声频信号控制和分配系统，它允许根据等级信号安排来选择射频信号，视频磁带音轨信号或者麦克风。另外，美国专利第5,014,267号讨论一个用于远程视频终端的接口的通信网络。一个与之分离的集中控制器被用来通过一条通信链路从远程终端接受数据。
可以看出这些材料都没有给出任何类型的局域网，配置为使用互联的声音卡并通过卡上的左右立体声道同时传送声音和数据信息。
与先有技术相对照，本发明提供了一个系统和方法，它允许计算机通过使用一个声音卡、电缆和新型的通信协议装配为一个LAN。
大体上，该发明使用声音卡的每一个右、左立体声道的线入、线出连接器来提供一个通信网络。然后，声音和数据信息可以通过本发明的LAN同时传输。分布的计算机以主/从方式连接起来。所有的从属系统把它们的线入端口接在一起，主系统的线出端口接到从属系统的线入端口的每个声道。所有的从属系统的线出端口也接在一起，而主系统的线入端也接到从属系统的线出端口的每个声道。在同一时间只有一个从属系统的线出口活跃并传送数据。
本发明提供一个通信协议，其中主系统提供控制声道的时钟信号。在稳定状态的情况下，控制和数据声道都没有活动。在通信时，如果主系统或从属系统从线入声道所收到的包中识别出了它们的地址，该信息便由声音卡上的数字信号处理器(DSP)来解码并处理。声音数据可以作为一个播出文件或类似的东西输出到系统，而数据信息可以被直接送到系统(主或从)中的主机CPU，并显示到计算机屏幕上。
当一个从属系统请求网络时间时，它通过把一个信号输出到控制线来与主系统联系。该请求信号被主系统识别，然后使用一个仲裁方案把网络让给请求访问的从属系统。主系统只允许从属系统在一个预先确定的时间片内占有网络。一旦超过这一时间片，主系统就执行一个撤销命令强迫从属系统离开网络。然后主系统赋予下一个正在请求的从属系统对网络的访问权。主系统也可以通过网络把消息发送给一个或多个从属系统，但是不需要网络访问的仲裁，也不服从撤销命令。
本发明还考虑了一个任务程序来控制声音卡上的板上处理器。这将允许在本发明的LAN声频配置中互联的系统中，声音和数据信息的发送和/或接收以及放音和录音可以同时进行。
因此，根据以上的概述，并通过下面结合附图进行的描述和权力要求，本发明的目标、特性和优点对于熟悉本技术的人来说会越发明显。
图1是表示能实现本发明的一个典型的数据处理系统的硬件组成的示意图；
图2是一个典型的声音适配器及其互联的示意图，它能用于本发明，既可作为从属系统，也可作为主系统；
图3是显示把图2的主、从声音卡物理地互联成为一个局域网的方框图；
图4是本发明所用的软件的方框图，该软件用来把具有声音卡的计算机系统组成LAN；
图5是一个主系统提供的数据时钟以及本发明赖以通过声音网络传输数字数据的多级离散编码模拟技术的定时图；
图6是当声音和数据在网间传输时主系统所进行的操作的流程图；
图7是一个从属系统与局域网进行交互所需的全部过程的流程图；
图8是表示当一个从属系统从LAN接收信息时的过程的另一个流程图；
图9是另一个流程图，它显示一个主系统确定网络是否被从属系统所请求时所用的过程；
图10是当一个从属系统通过LAN向主系统或另一个从属系统发送信息时所需步骤的流程图；以及
图11是表示数据和声音信息包如何在本发明的网络上同时传输的图。
参考图1，显示了一个可与本发明共同使用的典型的数据处理系统。提供一个中央处理单元(CPU)，例如IBM的PowerPC6××微处理器(PowerPC是IBM公司的商标)或者Intel X86处理器，它通过系统总线12与各种其它元件互联。只读存储器(ROM)16通过总线12接到CPU10，它包含控制基本的计算机功能的基本输入/输出系统(BIOS)。随机存取存储器(RAM)14，I/O适配器18和通信适配器34也接到系统总线12。I/O适配器18可以是一个与磁盘存储设备20通信的小型计算机系统接口(SCSI)适配器。通信适配器34把总线12联到外部网络，使得该数据处理系统能与其它这样的系统进行通信。输入/输出设备也通过用户接口适配器22和显示适配器36接到系统总线12。键盘24，轨迹球32，鼠标26和扬声器28全都通过用户接口适配器22接到总线12。显示监视器38由显示适配器36接到系统总线12。图中示出声音卡40接到系统总线12，它包括左右立体声道，每个声道都有一个输入和一个输出。因此，每个声音卡40能够接收两个输入(每个声道一个)，并产生两个相应输出。本发明的系统使用一个声道的输入和输出线用于数据，使用另一个声道的线路用于控制，以便实现由声音卡40互联起来的局域网。以这种方式，一个用户可以通过键盘24，轨迹球32或鼠标26向系统输入，并通过扬声器28和显示器38从系统接收输出。另外，一个操作系统例如DOS或OS/2(OS/2是IBM公司的商标)用来协调图1所示各种元件的操作。
图2是本发明设计用于一个从属或者主系统的声音卡的示意图(参看图3中的数码40a到40n)。在较佳实施例中，可以使用IBM的“帆板”(Windsurfer)通信与声音适配器以获得良好效果。但是任何一种买得到的、包含一个板上处理器例如DSP和两个声道的声音卡都在本发明的考虑范围内。
图2的方框图显示了本发明的声音卡40所必须包含的部件，以便处理在LAN中各个主、从属系统之间传送的声音和数据信息。更具体地，针对多媒体声音卡40的右和左立体声道示出了两套相同的电路。需要指出两套电路部件相同，并以相同方式工作。因此，将只对一个电路进行详细描述，对于熟悉本技术的人来说很显然电路203和203a可以认为是完全相同的。另外，电路203和203a的元件都以相同号码标注，只是代表右声道的电路和元件后面都加上个“a”。
在通常情况下，例如当声音卡在用来处理模拟信息时，当正在对实时音乐录音、处理、放大或类似操作时，模拟立体声信号被有选择地在线入端口300和304或者麦克风输入端口210和208分别输入进左右电路203和203a。对输入的选择是由模拟开关电路208和208a完成的。各自的信号分别由模数转换器(ADC)207和207a接收并转换成数字化声音信号。
另外，在本发明的较佳实施例中，图1所示的主机系统与一个存储器205和205a互联，这样数字多媒体播放文件的内容可以从存储器14之类的对象输入到声音卡40上的存储器205和205a加以处理。该文件可能包含作为多媒体演示的一部分的音乐、语言文本，或者其它数字声音信息。特别地，本发明设计了一个交互式有声教育程序，其中学生们被要求回答特定问题作为对在学校老师那里学到的知识的补充。数字声音信息双声道播放文件从主机系统输入并存储到存储器205和205a。需要指出这里所用的主机系统指的是安装了声音卡40的计算机并且包括主和从属系统两种主机系统。存储器205和205a是RAM，用作存储尚未处理的数字播放文件信息的缓冲区。定时器211和211a用来协调把播放文件从存储器装入数字信号处理器(DSP)219和219a，而且提供声音处理的全面协调。当然，熟悉本技术的人会明白数据可以从DSP219和219a通过存储器215和215a输出到主机系统来显示，或者是声音信息则重放。需要指出，为简单起见，图2中显示了两个数字信号处理器，每个声道一个。但是，熟悉本技术的人会明白单一个DSP就能够提供左右两声道的处理功能，并且在本发明的考虑范围内。
附加存储器213和213a是系统装入的RAM，用于在本发明的系统中存储附加数据和/或指令，后者是与本发明相关联的DSP219和219a同时处理声音和数据信息所需要的。存储器205和213(或者205a和213a)可能是一块存储单元即芯片，有分离的可装入区域用于声音数据和指令，或者是并联的两块(或更多)独立的存储器。标注码209和209a代表一个接口，它允许由DSP处理的数字声音数据被输出，以及接收来自乐器和其它声音源的信号输入。很多现有的声音卡40都包括一个乐器数字接口(MIDI)以提供接口209和209a。
数字信号处理器219和219a实际是数字增强微处理器，例如TM320c51，可以从德克萨斯仪器公司买到。这些微处理器需要有相当高的速度以便达到对声音信息和数据有足够高的采样频率以满足其同时处理。就是说，从LAN中的其它系统输入的声音信息和数据必须以可接受的频率进行采样，这样输入到DSP的数据才能和从DSP输出的数据相同。一旦声音播放文件由DSP219或219a处理过并准备好输出到LAN上的其它系统，该文件就被输入到数模转换器215或215a。DAC215，215a把处理过的数字文件转换成模拟信号，然后把它发到模拟开关217和217a。模拟开关或者把模拟信号发到声音输出设备(例如扬声器或耳机)212和214，或者送到线出302和306。当模拟开关设置为发送数据到线出时，模拟信号便在本发明的局域网上沿着信号线302和306传输。
图2的图可以代表主系统或从属系统，两种系统的硬件是相同的。
图3是显示本发明设计的多个声音卡互联为LAN的方框图。可以看出立体声左声道用于控制，而右声道用于传送数据。主声音卡40的左声道的线出302被接到从属声音系统40a-40n的左声道的线入300。主系统提供一个可工作于不同频率的时钟，在较佳实施例中，其频率约为11.025KHZ。这允许从每个时钟周期8位得出的88.2KBaud的数据率，因而给出256个数据级。从属系统的每个左声道线出连接器302都输入到主系统的左声道线入端口300。
主系统的右立体声道输出306接到LAN中每个从属系统的右声道输入线304。主系统通过其线出306把数据传递给从属系统的线入304。LAN中每个从属系统的右声道线出306都被接到主系统的右声道线入304。这条路径是用于从属系统传送数据给另一个从属系统或主系统的。本发明的通信协议的工作将参考图6-8的流程图加以详细讨论。
图4是本发明的互联的声音卡LAN系统的软件部件的结构方框图。声音卡40和支持LAN和声音功能所需的软件模块一起被示出。多媒体应用320与操作系统322例如OS/2等接口。在操作系统下面是各种软件设备驱动程序，例如声音设备驱动程序330，鼠标驱动程序，打印驱动程序等等。还提供一个应用编程接口(API)324作为与硬件或软件模块的接口，这些模块支持各种个人计算机或工作站类似声音卡40的功能。在这里API324提供了与DSP资源管理设备驱动程序326的一个标准接口。该驱动程序326对来自操作系统332和应用程序320的声音卡功能提供控制和数据的管理。一个标准任务接口328是另一个软件接口层，它提供DSP驱动程序326和在声音卡DSP219上运行的DSP多任务操作系统332之间的交互。为实现由多媒体应用320调用的高层命令所需的不同的DSP任务或操作由DSP操作系统来协调。DSP操作系统332是一个多任务操作系统，它允许多于一个操作并发地实现。这给本发明提供了同时处理声音和数据信息的能力。所协调的任务可能是与传送数据相关的声音LAN任务，例如检查时钟340，检查数据342，输出数据，接受数据，等等。可能与数据任务并行执行的声音任务包括放音344，录音346，等等，其中声音适配器卡处理声音信号以播放(输出)或录制(输入)声音信息。可以看出DSP操作系统332能够同时控制或监管更多不同的任务，而这里提到的任务只是作为例子提出来而不是作为限制。
图5图示出声音LAN时钟和数据是怎样物理地工作的。控制声道302为数据传送提供了时钟序列。该信号是从主系统的线出302(图2或3)输出的。来自主系统线出302的控制声道时钟信号302的上升沿由标注400代表。数据必须在控制时钟的每个上升沿近前及其上升缘期间有效的。数据的每个新值是在主时钟302变低的同时由主声音卡DSP219放进声道的(图3的主数据306)。一同示出的还有时钟范围402，它是用来识别数据将要供给的目标系统的机制。一个被赋给一个从属系统的识别号由主系统在主数据通道306输出。这是在控制声道时钟降到极低电平时完成的，该电平低于数据正常传送的电平。当控制声道时钟迁移到某一范围，即目标时钟400，那时每个从属系统都会测出时钟正处于一个极端范围。当这个发生时，每个从属系统都对数据声道上的识别号进行译码以确定自己是否被选中。当自己的识别号与主数据通道306上的数据相同时，该从属系统就被选中了。这一选择过程会占用一个或多个时钟周期，但总是占用预先确定的数量的周期，这依赖于网上从属系统的数量。
当控制声道时钟迁移到某一范围而且从属系统对识别号译码时，从属系统还对控制声道300上的信号译码以确定一个相关命令403。该命令403依赖于值402的范围，包括查询，发数据和收数据。因此，控制声道的300和302传递从主系统到从属系统的命令。以这种方式，主系统能够控制从属系统并让后者执行各种功能。主系统根据控制声道时钟的电平402来控制从属系统的动作。概括地说，控制声道传递从主系统到从属系统的命令，它通过发布命令403使从属系统处理数据，执行查询操作，执行发送操作，执行接收操作，或者保持等待状态而什么也不做。
例如在图5情况下，第4号从属系统被选中。在从属选择后面跟着发送数据序列1，-2，5，-5，2。数据的完成是由主系统设置其时钟(控制声道)和数据声道为中性即零电平来指示的。数据值是多电平的，即在时间(轴)上的任何一个数据位置都可(用不同电平)表示不同值。这是因为声音卡的线入线出的模拟特性的结果。例如图5显示的数据在-5到+5的范围(404)内。但是本发明也考虑了许多其它的值的范围。
图6到11提供了主、从系统协同工作并在由互联的声音卡组成的LAN上共享数据所需要的操作的流程。
图6是代表本发明的LAN中的主系统完成的步骤的流程图。第一步过程开始，第二步主系统检查网络上的控制值。如果网上没有控制值，就是说控制值非活化(第3步)那么第6步确定在主系统上运行的应用程序有无中断。如果在第3步确认控制值活化，就是说存在一个控制值，那么第4步主系统查询每个从属系统(图9)并且对正在请求的从属系统进行仲裁。一旦请求的从属系统获得对网络的控制，在第5步，主系统上运行的应用程序被中断并且来自从属系统的数据被传送到应用程序。紧接第5步，过程返回第2步获得一个控制值。如果在第6步确认在主系统上运行的应用确实发生中断，那么第7步确定主系统是否打算向从属系统发送数据。若是，第9步完成一个数据发送过程给那个从属系统(图8)。如果第7步确认要从从属系统接收数据，那么就完成一个数据接收过程(图10)(第8步)。当第6步确认没有出现应用程序中断那么第10步确认网络是否活跃，若是，系统循环回到第2步以获得一个控制值。如果网络不活跃，那么过程中止于第11步。紧接着第8步和第9步，系统同样返回第2步以获得下一个控制值。
图7是一个流程图，它表明了一个从属系统在本发明的网络上向主系统发数据以及从它接收数据时所执行的步骤的全部构成。第1步过程开始，第2步从属系统从网上获得控制值。第3步确定网上是否有一个控制值，即网络是否空闲？若是，则第4步确定是否有一个在从属系统上运行的应用程序发出了中断。若不是，过程循环返回第2步获得一个控制值。如果在从属系统上的应用发出了一个中断请求，那么第5步发出网络请求。当第3步确认出现了一个控制值时，即网络不空闲，那么第6步确定控制值是否指定查询命令，若是，则在第7步(图9)运行一个处理查询的例程。然后在第8步确定控制值是否指定发送数据命令(此处是根据图5所示的信号402的范围来确定的)。若是，则在第9步实现一个发送例程(图10)，把数据从从属系统发往主系统。如果第8步发现控制值并非指定发送，那么第10步确定是否要进行控制接收。若是，则第11步运行一个处理接收例程(图8)。第12步确定网络是否活化，若是则返回第4步。若确认网络不活化，则过程终止于第13步。紧接第7，9，11步的处理例程执行之后，图7的方法同样返回第4步。
图8是代表图7的第11步的数据接收处理例程的流程图。在此过程中，从属系统处于接收状态，但只有被选择的从属系统保持接收状态，而所有其它的都返回监视网络的状态。第1步过程开始，第2步确定网上的数据是否针对该从属系统。若不是，该从属系统向网络输出零(第3步)并返回图7的流程图的第4步。如果网上的数据是针对该从属系统的，那么它在第5步获得控制值。如果控制值不活化，过程返回第3步。如果控制值活化，则第7步确定控制值是否代表要接收的数据，若是，则从输入接收一字节数据给从属系统。如果控制值不是数据，或者紧跟第8步，过程返回第5步获得控制值。过程从5到8步循环，直到网上每一个字节数据都被该从属系统接收为止。
图9是图7中第7步代表的查询过程，它是在网络上通信的协议。在此过程中，主系统查询是否有从属系统需要网络。主系统分别查询每个从属系统，以确定它是否要向主系统或另一从属系统发送数据。第1步过程开始，第2步确定网上的数据是不是该从属系统的地址，若不是则在第3步保持把数据和控制值从从属系统的输入直接复制到从属系统的输出的稳定状态。然后过程返回到图7中从属系统的总流程图的第4步。如果第2步确认数据正是该从属系统的地址，那么在第5步查出网络占有权是否被请求。若不是，过程返回第3步的稳定状态。但是，如果网络被请求了，从属系统便停止稳定状态，不再把输入复制到输出，而是把零输出到网络上(第6步)。在第6步之后，过程返回到图7的流程图的第4步。
参考图10，显示了一个从属系统向一个主系统发数据的过程。第1步过程开始，第2步确定数据是否指定该从属系统的地址。若不是，该系统接着执行第3步，不向网上发送任何输出。第4步过程返回图7的流程。如果数据指定了该从属系统的地址，那么在第5步获得控制值，第6步确定该控制值是否活化，即主系统是否停止了从从到主的传输。如果控制值非活化，那么过程循环返回到第3步输出零值。如果第7步确认控制值无相关数据，那么过程返回第5步，但如果有对应控制值的数据，则第8步把一字节数据从从属输出放到网络上。然后第9步确定是否还有数据要发，若是，则第10步把到从属系统的输入直接复制到输出。如果不再有数据要发，则不输出控制值(第11步)。通道上的输出没有控制值(零控制)意味着向主系统报告不再有数据从从属系统发往主系统。紧接第10、11步过程返回第5步获得新的一个控制值。
图11是一个显示本发明实现同时传输声音信息和数据的方法的图。对每一个采样周期，根据本发明的一个连接到声音LAN上的系统(主或从)交替地发送或接收一定数量的声音信息和数据。这是由DSP219的多任务能力及其相关软件实现的(操作系统332)。例如，假设每个采样周期是1秒。在第一时间周期内(1秒)，交替传送0.5秒的数据和0.5秒的声音。数据和声音可被缓冲和压缩，这样所播放的声音听起来没有间隔。在第二周期传输0.25秒的数据和0.25秒的声音。第三周期与第一周期相同，传输0.5秒的数据和0.5秒声音。但在第四周期，交替传输0.16秒的数据和声音。在本发明的系统中，使用11.025KHZ采样频律。因此即使数据和声音信息是交替地采样并提供给用户，在用户看来两种信息片断都是实时接收的。就是说通过这里所发布的声音LAN互连的本发明的主系统或从属系统，它们的用户所看到的声音信息和数据都没有明显的延迟。
虽然显示并描述了某些较佳实施例，但是应该明白其中可以进行很多改变和修正而并不偏离所附权力要求的范围。
例如网络可以做成无线的，使用有红外线发送器/接收器的适当的外部电路。