怎样设计实现一个基于嵌入式Linux和MiniGUI的SIP电话终端的方案？
引言
随着voip的迅猛发展，越来越多的个人用户正在使用软件电话、ip电话通过voip系统拨打国内和国际长途，ip电话的需求量越来越大，同时，人们对ip电话的要求也越来越高，例如要求ip电话体积小、方便携带、功耗低、待机时间长、漂亮的人机交互界面，功能可扩展等。解决这些需求的可行方案就是用嵌入式系统，具体而言就是采用一款32位嵌入式处理芯片（如arm、power pc），将linux操作系统和minigui图形库经过裁减移植到这些嵌入式处理芯片所构建的硬件平台上。由于linux具有强大的网络功能，而minigui是一款优秀的针对嵌入式linux的轻量级图形用户界面库，在它们的基础上做应用开发，能够保证ip电话的稳定性和功能扩展，也能开发出漂亮的人机交互界面。
目前用来实现voip系统的协议有三种：sip、mgcp和h．323，其中sip协议是应用得最广泛的协议，所谓sip电话就是支持sip协议的ip电话。
1 sip电话实现方案 根据ip电话的功能需求，sip电话应当实现人机界面的交互、呼叫处理、语音的采集和播放、语音的编码和解码、语音的实时传输。本设计人机界面的交互使用嵌入式系统硬件平台上的lcd和功能按键，采用minigui图形库和linux按键驱动；呼叫处理模块使用硬件平台上的网络接口，采用exosip协议栈；语音的采集与播放使用硬件平台上的音频接口，采用linux音频设备驱动；语音的编码和解码直接采用开源g.7-29a源代码；语音的实时传输使用rtp协议，采用开源的jrtplib库。
sip电话软件结构图如图1所示。sip电话由八个模块组成。每一模块对应一个线程。其中，主线程（线程1）的任务是：a．加载配置文件到内存中；b．初始化音频设备和功能按键设备；c．创建rtp会话实例和初始化exosip协议栈；d．初始化四个数据区缓冲结构；e．创建、管理、撤消子线程；f. 显示sip配置文件的配置信息和状态信息，处理来自呼叫处理模块子线程的消息。呼叫处理模块子线程（线程2）的任务是：通过调用exosip协议栈的api函数，实现sip电话的呼叫过程控制。语音采集模块子线程（线程3）的任务是：实现语音的采集并将采集到的语音数据存储到全局数据缓冲区队列1中。语音编码模块子线程（线程4）的任务是：从全局数据缓冲区队列1中读取pcm码流并对其进行编码，将转化过后的g．729码流存储到全局数据缓冲区队列2中。数据发送模块子线程（线程5）的任务是：从全局数据缓冲区队列2中提取g．729码流，打包成rtp数据包发送到出去。数据接收模块子线程（线程6）的任务是：检测接收端口上的rtp语音包，提取g．729码流存储到全局数据缓冲区队列3中。语音解码模块子线程（线程7）的任务是：从全局数据缓冲区队列3中读取g．729码流对其进行解码，将转化过后的pcm码流存储到全局数据缓冲区队列4中。语音播放模块子线程（线程8）的任务是：从全局数据缓冲区队列4中读取pcm码流，通过d／a转换成模拟语音信号。
2 各线程模块的实现 主线程模块主要完成系统各个功能模块的初始化工作，也是程序的入口点，minigui程序的入口点为miniguimain（）函数；配置文件的加载拟完成从根文件系统到内存的加载，然后进行解析，存放在全局sip配置参数结构中。配置文件用来存放呼叫处理模块和语音传输模块使用的参数，具体包括：本机ip地址、子网掩码、网关地址、sip服务器ip地址，sip端口号、用户名、本机电话号码、密码、rtp端口号、被叫电话号码和注册间隔时间。初始化音频设备拟完成打开音频设备文件，设置音频设备的采样频率，量化位数和声道数目。打开音频设备文件可通过调用linux系统函数audio_fd=open（“／dev／dsp”，o_rdwr）来实现，调用成功后将返回音频设备的文件描述符。设置音频设备的采样频率，量化位数和声道数目可通过调用ioctl（fd，…．）函数来实现。功能按键设备的初始化很简单，直接调用buttons_fd=open“／dev／b-uttons”，o）函数打开按键设备文件即可。创建rtp会话实例，可通过调用jrtplib库的rtpsession类来完成，然后调用rtpsession类的create（）方法来对其进行初始化，创建完成后，需设置rtp会话实例的传输参数和会话参数。exosip协议栈的初始化直接调用exosip协议栈所提供的初始化函数。七个子线程的创建可通过调用pthread_create函数来完成。sip配置信息的显示拟完成配置文件中的信息在minigui主窗口上的显示，主要显示本机的ip地址和端口号、sip服务器的ip地址、本机号码、本机用户名。sip状态信息的显示拟完成对整个sip事务迁移状态的显示。例如，如果收到“180ringing”消息，则在minigui主窗口上显示“对方正在响铃”，如果收到定时器的超时消息，则在minigui主窗口上显示“无人接听，请稍后再拨”。sip状态信息的显示是一个消息驱动的动态显示。sip配置信息和状态信息的显示直接采用minigui的窗口模型和消息处理机制。sip配置信息的显示直接通过调用minigui提供的textout（hdc，o，o，host_ip）将sip参数结构中的参数显示在minigui主窗口上。sip状态信息的显示必须为每个sip事务消息定义相对应的minigui消息，以“180 ringing”消息和定时器超时消息为例，自定义消息如下：
#define msg_180ringing（msg_user+10）
#define msg_timerc（msg_user+11）
当呼叫处理模块子线程收到ip网络上的“180 ringing”消息和linux内核的定时器超时消息后，则通过调用sendmessage（hwnd，msg_180-ringing，0，0l）向minigui主线程发送msg_180ringing消息，主线程通过调用getmessage（）函数获取呼叫处理模块子线程所发过来的消息，通过调用dispatchmessage（&msg）函数把这些消息发送到窗口过程函数进行处理。窗口过程函数收到相应的消息，首先判断消息的类型，若是msg_180ringing消息，然后调用textout（hdc，0，0，“对方正在响铃”）函数在窗口上显示“对方正在响铃”字样。
呼叫处理模块子线程可直接调用exosip协议栈所提供的api函数集，exosip是在osip2的基础上对sip消息的api作了更上层的封装，能够很容易实现sip电话的呼叫过程控制。呼叫处理模块子线程实现的难点是当呼叫连接成功后，如何启动语音采集、语音编码、数据发送、数据接收、语音解码和语音播放6个子线程。本设计采用linux线程间通信-管道机制向其它6个子线程发送启动标识，6个子线程接收到启动标识后，唤醒各自的线程，进行相应的语音处理和语音的传输。同样，当呼叫连接释放时，呼叫处理模块子线程向6个子线程发送停止标识，6个子线程接收到停止标识后，停止语音处理和语音的传输，阻塞各自的线程。
语音采集模块、语音编码模块、数据发送模块、数据接收模块、语音解码模块和语音播放模块6个子线程的过程控制是一样的，首先进入主循环，调用linux系统函数select（）阻塞本线程，侦听本线程与呼叫处理模块子线程之间的管道，若管道中有数据，则调用系统函数read（）读取数据，判断数据是否为启动标识，若是，则进入子循环进行相应的处理；若为其它数据，则重新回到新一轮的循环。进入子循环进行相应的处理的同时，将select（）设为非阻塞模式，调用select（）函数侦听本线程与呼叫处理模块子线程之间的管道，若管道中有数据，则调用系统函数read（）读取数据，判断数据是否为停止标识，若为停止标识，则跳出子循环重新回到主循环，线程重新回到阻塞状态；若为其它数据，则不做任何处理，重新回到子循环。
由于各子线程共享数据缓冲区队列，为了正确读写数据，在设计数据缓冲区队列结构和读写操作函数时，使用了linux下线程间的同步和互斥机制，保证了对内存资源的安全共享。为了设计出通用的数据缓冲区队列结构和读写操作函数，不妨将向缓冲区写数据的子线程定义为生产者线程，将从缓冲区读取数据的子线程定义为消费者线程。为了保证对数据缓冲区队列进行安全的读写操作，生产者线程和消费者线程必须满足两个条件：
（1）生产者线程写入缓冲区的数目不能超过缓冲区容量；
（2）消费者线程读取的数目不能超过生产者线程写入的数目。
为了实现这两个条件，在程序实现中使用了写指针和读指针来判断缓冲区是空还是满。在初始化时读指针和写指针为0；如果读指针等于写指针，则缓冲区是空的；如果（写指针+1）％n等于读指针，则缓冲区是满的，％表示取余数，n表示缓冲区队列的长度。
3 结语 本文提出了基于嵌入式linux和minigui的sip电话终端的实现方案，并给出了各线程模块的实现方法，与传统的台式ip网络电话解决方案相比，本方案具有如下突出的特点与创新点：a．体积小、功耗低，由于系统所依赖的硬件平台是嵌入式系统平台，而嵌入式硬件平台本身具有体积小、功耗低特点。b．功能可扩展。由于嵌入式系统软硬件可裁剪，可以方便开发人员进行功能扩展。c．图形界面漂亮。由于系统采用嵌入式图形界面minigui，可以开发出漂亮的图形界面。d．采用多线程机制和缓冲区队列对语音的采集与播放、语音的编码与解码和语音的实时传输进行并行处理，保证了语音通话的连续性。
对系统进行测试的结果表明，本设计能够对呼叫进行稳键的控制，能够保证语音通话的连续性，对从事相关产品的开发具有一定的参考价值。
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2 各线程模块的实现 主线程模块主要完成系统各个功能模块的初始化工作，也是程序的入口点，minigui程序的入口点为miniguimain（）函数；配置文件的加载拟完成从根文件系统到内存的加载，然后进行解析，存放在全局sip配置参数结构中。配置文件用来存放呼叫处理模块和语音传输模块使用的参数，具体包括：本机ip地址、子网掩码、网关地址、sip服务器ip地址，sip端口号、用户名、本机电话号码、密码、rtp端口号、被叫电话号码和注册间隔时间。初始化音频设备拟完成打开音频设备文件，设置音频设备的采样频率，量化位数和声道数目。打开音频设备文件可通过调用linux系统函数audio_fd=open（“／dev／dsp”，o_rdwr）来实现，调用成功后将返回音频设备的文件描述符。设置音频设备的采样频率，量化位数和声道数目可通过调用ioctl（fd，…．）函数来实现。功能按键设备的初始化很简单，直接调用buttons_fd=open“／dev／b-uttons”，o）函数打开按键设备文件即可。创建rtp会话实例，可通过调用jrtplib库的rtpsession类来完成，然后调用rtpsession类的create（）方法来对其进行初始化，创建完成后，需设置rtp会话实例的传输参数和会话参数。exosip协议栈的初始化直接调用exosip协议栈所提供的初始化函数。七个子线程的创建可通过调用pthread_create函数来完成。sip配置信息的显示拟完成配置文件中的信息在minigui主窗口上的显示，主要显示本机的ip地址和端口号、sip服务器的ip地址、本机号码、本机用户名。sip状态信息的显示拟完成对整个sip事务迁移状态的显示。例如，如果收到“180ringing”消息，则在minigui主窗口上显示“对方正在响铃”，如果收到定时器的超时消息，则在minigui主窗口上显示“无人接听，请稍后再拨”。sip状态信息的显示是一个消息驱动的动态显示。sip配置信息和状态信息的显示直接采用minigui的窗口模型和消息处理机制。sip配置信息的显示直接通过调用minigui提供的textout（hdc，o，o，host_ip）将sip参数结构中的参数显示在minigui主窗口上。sip状态信息的显示必须为每个sip事务消息定义相对应的minigui消息，以“180 ringing”消息和定时器超时消息为例，自定义消息如下：
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由于各子线程共享数据缓冲区队列，为了正确读写数据，在设计数据缓冲区队列结构和读写操作函数时，使用了linux下线程间的同步和互斥机制，保证了对内存资源的安全共享。为了设计出通用的数据缓冲区队列结构和读写操作函数，不妨将向缓冲区写数据的子线程定义为生产者线程，将从缓冲区读取数据的子线程定义为消费者线程。为了保证对数据缓冲区队列进行安全的读写操作，生产者线程和消费者线程必须满足两个条件：
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