引言

隨著VoIP的迅猛發展，越來越多的個人用戶正在使用軟件電話、IP電話通過VoIP系統撥打國內和國際長途，IP電話的需求量越來越大，同時，人們對IP電話的要求也越來越高，例如要求IP電話體積小、方便攜帶、功耗低、待機時間長、漂亮的人機交互界面，功能可擴展等。解決這些需求的可行方案就是用嵌入式系統，具體而言就是采用一款32位嵌入式處理芯片（如ARM、Power PC），將Linux操作系統和MiniGUI圖形庫經過裁減移植到這些嵌入式處理芯片所構建的硬件平臺上。由于Linux具有強大的網絡功能，而MiniGUI是一款優秀的針對嵌入式Linux的輕量級圖形用戶界面庫，在它們的基礎上做應用開發，能夠保證IP電話的穩定性和功能擴展，也能開發出漂亮的人機交互界面。

目前用來實現VoIP系統的協議有三種：SIP、MGCP和H．323，其中SIP協議是應用得最廣泛的協議，所謂SIP電話就是支持SIP協議的IP電話。

1 SIP電話實現方案

根據IP電話的功能需求，SIP電話應當實現人機界面的交互、呼叫處理、語音的采集和播放、語音的編碼和解碼、語音的實時傳輸。本設計人機界面的交互使用嵌入式系統硬件平臺上的LCD和功能按鍵，采用MiniGUI圖形庫和Linux按鍵驅動；呼叫處理模塊使用硬件平臺上的網絡接口，采用eXoSIP協議棧；語音的采集與播放使用硬件平臺上的音頻接口，采用Linux音頻設備驅動；語音的編碼和解碼直接采用開源G.7-29A源代碼；語音的實時傳輸使用RTP協議，采用開源的JRTPLIB庫。

SIP電話軟件結構圖如圖1所示。SIP電話由八個模塊組成。每一模塊對應一個線程。其中，主線程（線程1）的任務是：a．加載配置文件到內存中；b．初始化音頻設備和功能按鍵設備；c．創建RTP會話實例和初始化eXoSIP協議棧；d．初始化四個數據區緩沖結構；e．創建、管理、撤消子線程；f. 顯示SIP配置文件的配置信息和狀態信息，處理來自呼叫處理模塊子線程的消息。呼叫處理模塊子線程（線程2）的任務是：通過調用eXoSIP協議棧的API函數，實現SIP電話的呼叫過程控制。語音采集模塊子線程（線程3）的任務是：實現語音的采集并將采集到的語音數據存儲到全局數據緩沖區隊列1中。語音編碼模塊子線程（線程4）的任務是：從全局數據緩沖區隊列1中讀取PCM碼流并對其進行編碼，將轉化過后的G．729碼流存儲到全局數據緩沖區隊列2中。數據發送模塊子線程（線程5）的任務是：從全局數據緩沖區隊列2中提取G．729碼流，打包成RTP數據包發送到出去。數據接收模塊子線程（線程6）的任務是：檢測接收端口上的RTP語音包，提取G．729碼流存儲到全局數據緩沖區隊列3中。語音解碼模塊子線程（線程7）的任務是：從全局數據緩沖區隊列3中讀取G．729碼流對其進行解碼，將轉化過后的PCM碼流存儲到全局數據緩沖區隊列4中。語音播放模塊子線程（線程8）的任務是：從全局數據緩沖區隊列4中讀取PCM碼流，通過D／A轉換成模擬語音信號。

2 各線程模塊的實現

主線程模塊主要完成系統各個功能模塊的初始化工作，也是程序的入口點，MiniGUI程序的入口點為MiniGUIMain（）函數；配置文件的加載擬完成從根文件系統到內存的加載，然后進行解析，存放在全局SIP配置參數結構中。配置文件用來存放呼叫處理模塊和語音傳輸模塊使用的參數，具體包括：本機IP地址、子網掩碼、網關地址、SIP服務器IP地址，SIP端口號、用戶名、本機電話號碼、密碼、RTP端口號、被叫電話號碼和注冊間隔時間。初始化音頻設備擬完成打開音頻設備文件，設置音頻設備的采樣頻率，量化位數和聲道數目。打開音頻設備文件可通過調用Linux系統函數audio_fd=open（“／dev／dsp”，O_RDWR）來實現，調用成功后將返回音頻設備的文件描述符。設置音頻設備的采樣頻率，量化位數和聲道數目可通過調用ioctl（fd，…．）函數來實現。功能按鍵設備的初始化很簡單，直接調用buttons_fd=open“／dev／b-uttons”，O）函數打開按鍵設備文件即可。創建RTP會話實例，可通過調用JRTPLIB庫的RTPSession類來完成，然后調用RTPSession類的Create（）方法來對其進行初始化，創建完成后，需設置RTP會話實例的傳輸參數和會話參數。eXoSIP協議棧的初始化直接調用eXoSIP協議棧所提供的初始化函數。七個子線程的創建可通過調用pthread_create函數來完成。SIP配置信息的顯示擬完成配置文件中的信息在MiniGUI主窗口上的顯示，主要顯示本機的IP地址和端口號、SIP服務器的IP地址、本機號碼、本機用戶名。SIP狀態信息的顯示擬完成對整個SIP事務遷移狀態的顯示。例如，如果收到“180Ringing”消息，則在MiniGUI主窗口上顯示“對方正在響鈴”，如果收到定時器的超時消息，則在MiniGUI主窗口上顯示“無人接聽，請稍后再撥”。SIP狀態信息的顯示是一個消息驅動的動態顯示。SIP配置信息和狀態信息的顯示直接采用MiniGUI的窗口模型和消息處理機制。SIP配置信息的顯示直接通過調用MiniGUI提供的TextOut（hdc，O，O，host_ip）將SIP參數結構中的參數顯示在MiniGUI主窗口上。SIP狀態信息的顯示必須為每個SIP事務消息定義相對應的MiniGUI消息，以“180 Ringing”消息和定時器超時消息為例，自定義消息如下：

#define MSG_180Ringing（MSG_USER+10）

#define MSG_TimerC（MSG_USER+11）

當呼叫處理模塊子線程收到IP網絡上的“180 Ringing”消息和Linux內核的定時器超時消息后，則通過調用SendMessage（hWnd，MSG_180-Ringing，0，0L）向MiniGUI主線程發送MSG_180Ringing消息，主線程通過調用GetMessage（）函數獲取呼叫處理模塊子線程所發過來的消息，通過調用DispatchMessage（&Msg）函數把這些消息發送到窗口過程函數進行處理。窗口過程函數收到相應的消息，首先判斷消息的類型，若是MSG_180Ringing消息，然后調用TextOut（hdc，0，0，“對方正在響鈴”）函數在窗口上顯示“對方正在響鈴”字樣。

呼叫處理模塊子線程可直接調用eXoSIP協議棧所提供的API函數集，eXoSIP是在oSIP2的基礎上對SIP消息的API作了更上層的封裝，能夠很容易實現SIP電話的呼叫過程控制。呼叫處理模塊子線程實現的難點是當呼叫連接成功后，如何啟動語音采集、語音編碼、數據發送、數據接收、語音解碼和語音播放6個子線程。本設計采用Linux線程間通信-管道機制向其它6個子線程發送啟動標識，6個子線程接收到啟動標識后，喚醒各自的線程，進行相應的語音處理和語音的傳輸。同樣，當呼叫連接釋放時，呼叫處理模塊子線程向6個子線程發送停止標識，6個子線程接收到停止標識后，停止語音處理和語音的傳輸，阻塞各自的線程。

語音采集模塊、語音編碼模塊、數據發送模塊、數據接收模塊、語音解碼模塊和語音播放模塊6個子線程的過程控制是一樣的，首先進入主循環，調用Linux系統函數select（）阻塞本線程，偵聽本線程與呼叫處理模塊子線程之間的管道，若管道中有數據，則調用系統函數read（）讀取數據，判斷數據是否為啟動標識，若是，則進入子循環進行相應的處理；若為其它數據，則重新回到新一輪的循環。進入子循環進行相應的處理的同時，將select（）設為非阻塞模式，調用select（）函數偵聽本線程與呼叫處理模塊子線程之間的管道，若管道中有數據，則調用系統函數read（）讀取數據，判斷數據是否為停止標識，若為停止標識，則跳出子循環重新回到主循環，線程重新回到阻塞狀態；若為其它數據，則不做任何處理，重新回到子循環。

由于各子線程共享數據緩沖區隊列，為了正確讀寫數據，在設計數據緩沖區隊列結構和讀寫操作函數時，使用了Linux下線程間的同步和互斥機制，保證了對內存資源的安全共享。為了設計出通用的數據緩沖區隊列結構和讀寫操作函數，不妨將向緩沖區寫數據的子線程定義為生產者線程，將從緩沖區讀取數據的子線程定義為消費者線程。為了保證對數據緩沖區隊列進行安全的讀寫操作，生產者線程和消費者線程必須滿足兩個條件：

（1）生產者線程寫入緩沖區的數目不能超過緩沖區容量；

（2）消費者線程讀取的數目不能超過生產者線程寫入的數目。

為了實現這兩個條件，在程序實現中使用了寫指針和讀指針來判斷緩沖區是空還是滿。在初始化時讀指針和寫指針為0；如果讀指針等于寫指針，則緩沖區是空的；如果（寫指針+1）％N等于讀指針，則緩沖區是滿的，％表示取余數，N表示緩沖區隊列的長度。

3 結語

本文提出了基于嵌入式Linux和MiniGUI的SIP電話終端的實現方案，并給出了各線程模塊的實現方法，與傳統的臺式IP網絡電話解決方案相比，本方案具有如下突出的特點與創新點：a．體積小、功耗低，由于系統所依賴的硬件平臺是嵌入式系統平臺，而嵌入式硬件平臺本身具有體積小、功耗低特點。b．功能可擴展。由于嵌入式系統軟硬件可裁剪，可以方便開發人員進行功能擴展。c．圖形界面漂亮。由于系統采用嵌入式圖形界面MiniGUI，可以開發出漂亮的圖形界面。d．采用多線程機制和緩沖區隊列對語音的采集與播放、語音的編碼與解碼和語音的實時傳輸進行并行處理，保證了語音通話的連續性。

對系統進行測試的結果表明，本設計能夠對呼叫進行穩鍵的控制，能夠保證語音通話的連續性，對從事相關產品的開發具有一定的參考價值。