【正文】 1 基于 S3C2440 的 IP 可視電話的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 摘要 現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展使得人們對通信服務(wù)提出了更高的要求，可視電話應(yīng)運(yùn)而生。早期的可視電話基于公共電話交換網(wǎng)，但由于傳輸速率不能滿足高性能視頻通信的要求，已經(jīng)逐步退出了歷史舞臺(tái) 。 本文首先概述了可視 IP 電話技術(shù)的發(fā)展歷史并通過對當(dāng)前市場上同類產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀的分析，指出了這些產(chǎn)品具有硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜、圖像分辨率低、占用帶寬過大和價(jià)格過高等特點(diǎn)，闡明了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一款高性能和低成本的 嵌入式可視IP 電話終端的意義，提出了以 ARM 多媒體處理器 S3C2440 作為主控芯片的單芯片設(shè)計(jì)方案并研究了該方案的軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，最后初步完成了可視 IP 電話在局域網(wǎng)內(nèi)部視頻通信。 單芯片設(shè)計(jì)方案提高了該系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性、降低了功耗且減少了硬件成本；在軟件設(shè)計(jì)方面，充分使用了“自頂向下，逐步細(xì)化”的分層設(shè)計(jì)方法，將軟件分解為應(yīng)用層、中間件和底層，這使其具有了很強(qiáng)的可移植性和擴(kuò)展性，可以被復(fù)用到同類產(chǎn)品的開發(fā)和基于本產(chǎn)品的二次開發(fā)中；在軟件實(shí)現(xiàn)上，通過將 Linux 內(nèi)核移植到底層軟件中并借助它的信號(hào)量機(jī)制有效 地解決了可視 IP 電話終端中視頻編解碼的技術(shù)難點(diǎn)，滿足了它同時(shí)編碼和解碼的需求，而且 Linux的多線程機(jī)制也為電話終端中音視頻相關(guān)的多個(gè)任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行搭建了平臺(tái)。 關(guān)鍵詞：可視 IP 電話， 2440，多線程機(jī)制 3 Abstract Modern munication technology enables people have a higher requirement for the munication services, so Video Phone e into being. Video phone based on the early public telephone switching work has gradually withdrawn from the history, because the transfer rate can not meet the requirements of highperformance video munication. With the emergence and improvement of the audio and video codec standards, realtime transport protocol and signaling protocols as well as the continuous development of IP technology, IPbased Video Phone has gained a unified technical standards, and gradually developed into a direction in the Video Phone market. This paper provides an overview of Video IP Phone’s history and development, points out that these products possess the hardware design plexity, lower resolution images, more work bandwidth and higher price, etc, analyzes the significance of design and implement of a higher performance and cheaper Video IP Phone Terminal, puts forward the design scheme based on ARM`S S3C2440, researches its implement of the hardware and software, at last, initially realizes it in LAN. Singlechip design improves the system integration and stability, reduces power consumption and hardware costs。 In software design, using of the hierarchical design method of “top down, and gradually refining” to dividing the software into applicationlayer, middleware, and the bottom level, so the software will have a strong transplantation and scalability, can be used in the same product’s development and Video IP Phone’s secondary development。 In software implement, with porting the Linux kernel to the bottom level, using the Semaphore mechanism to effectively solve multichannel video codec. Meets the telephone terminal’s requirement of video encoding and decoding at the same time. by drawing Linux39。s Multithreaded mechanism to the software implement to build a platform for the operation of multitask related to voice and video in the Video IP Phone Terminal. Key Words: Video IP Phone, S3C2440, Multithreaded mechanism 4 第 一 章 緒論 課題背景 可視電話從概念提出、技術(shù)發(fā)展到市場啟動(dòng)，經(jīng)歷了種種坎坷和曲折。尤其在 中國 ，可視電話市場長期處于雷聲大、雨點(diǎn)小的境地，市場遲遲未能啟動(dòng)。很少有用戶終端經(jīng)過幾十年的研制和發(fā)展仍基本停留在書本上，未能獲得大規(guī)模應(yīng)用，而可視電話恰恰就處于這不幸的行列。 早在上個(gè)世紀(jì)五六十年代就有人提出可視電話的概念，認(rèn)為應(yīng)該利用電話線傳輸語音的同時(shí)傳輸圖像。 1964 年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室正式提出可視電話的相關(guān)方案。但是，由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)條件的限制，可視電話一直沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。直到 80 年代后期，隨著芯片技術(shù)、傳輸技術(shù)、 數(shù)字通信 、視頻編解碼技術(shù)和集成電路技術(shù)不斷發(fā)展并日趨成熟，適合商用和民用的可視電話才得以浮出水面，走向人們的視野。 編解碼芯片技術(shù)是可視電話發(fā)展的關(guān)鍵，沒有核心編解碼芯片，可視電話只能是無源之水、無本之木。語音和圖像在傳輸時(shí)，必須經(jīng)過壓縮編碼 解碼的過程，而芯片正是承擔(dān)著編碼解碼的重任，只有芯片在輸出端將語音和圖像壓縮并編譯成適合通訊線路傳輸?shù)奶厥獯a，同時(shí)在接收端將特殊代碼轉(zhuǎn)化成人們能理解的聲音和圖像，才能構(gòu)成完整的傳輸過程，讓通話雙方實(shí)現(xiàn)聲情并茂的交流。 傳輸線路影響 可視電話的通信質(zhì)量。傳統(tǒng)的電話線是普通的雙絞線，主要用來傳輸語音，視音頻同時(shí)傳輸時(shí)，其傳輸速率僅能達(dá)到 ，所以在普通電話線的支持下，不能傳輸清晰連貫的圖像。 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，影響市場推廣。長期以來，雖然有廠家推出可視電話，但由于他們各自為政，沒有統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各種可視電話不能互通，影響了可視電話市場的拓展。在協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況下，只有用戶購買了同一型號(hào)的可視電話才能達(dá)到 “ 可視 ” 效果，如果甲用戶買了甲廠家的可視電話，而乙用戶買的是乙家的，那么他們通話就沒法 “ 可視 ” 了。 正因?yàn)榧夹g(shù)、線路和行業(yè)管理 等方面存在問題，所以造成了可視電話幾十年仍遠(yuǎn)離用戶，市場沒有起色。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 5 可視 IP電話技術(shù)是指在發(fā)送方將音視頻數(shù)據(jù)編碼和打包處理，通過 IP 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，然后在接收方還原出音視頻的一種技術(shù)，嵌入式可視 IP 電話終端則同時(shí)擔(dān)當(dāng)了其中發(fā)送方和接收方的角色，需要完成音視頻采集、編碼、通過 IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送、顯示視頻和播放語音等的功能。 嵌入式可視 IP 電話終端的結(jié)構(gòu)如圖 11所示，包括下面三個(gè)部分： (1)處理單元：包括應(yīng)用處理器、視頻加速處理器和音頻編解碼器三個(gè)部分。其中，視頻加速處理器又稱硬件編解碼器，用于 高速的視頻編解碼、音頻編解碼處理器用于音頻編解碼、而應(yīng)用處理器則控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行并執(zhí)行呼叫信令協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議完成音視頻通信； (2)以太網(wǎng)接口：用于音視頻和其他數(shù)據(jù)在 IP 網(wǎng)絡(luò)中的傳輸； (3)其他外設(shè)：攝像頭、顯示器、麥克風(fēng)、話筒，鍵盤。麥克風(fēng)和喇叭用于音頻數(shù)據(jù)的捕獲和播放、顯示器和攝像頭用于視頻數(shù)據(jù)的捕獲和顯示、而鍵盤則主要用于用戶輸入各種呼叫和控制命令。 鍵盤音 頻 編 解 碼 器應(yīng) 用 處 理 器以 太 網(wǎng) 接 口麥 克 風(fēng) 喇 叭視 頻 加 速處 理L C D 顯 示 器攝 像 頭 圖 嵌入式可視 IP 電話終端結(jié)構(gòu)圖 終端之間的通信過程如下：首先是發(fā)送方通過 鍵盤輸入適當(dāng)?shù)暮艚忻睿幚韱卧ㄟ^運(yùn)行呼叫信令協(xié)議和響應(yīng)者建立連接；連接建立后，發(fā)起方和接收方把各自的麥克風(fēng)和攝像頭捕獲的音視頻數(shù)據(jù)壓縮處理后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到對方，同時(shí)也將對方發(fā)送過來的音視頻數(shù)據(jù)解碼后播放與顯示。 我 國 所做的工作 國際上有數(shù)以百計(jì)的嵌入式 Linux研究和商業(yè)開發(fā)，例如美國 HardHat公司，就專門研究 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)的基本系統(tǒng)，芬蘭的一家公司 TrollTech 就 6 專注于做嵌入式系統(tǒng)的操作界面 QT， opera 公司也將自己的注意力集中到嵌入操作系統(tǒng)中的瀏覽器技術(shù)等。 在國內(nèi)，這 方面的發(fā)展也有了較大進(jìn)展。博利思軟件公司在這方面做了一些有益的嘗試，并于最近推出了一個(gè)嵌入式 Linux 操作系統(tǒng) Po。 ketlx 預(yù)覽版。Pocketlx 是一個(gè)內(nèi)核基于標(biāo)準(zhǔn) Limix 的嵌入式操作系統(tǒng)，由一個(gè)體積很小的內(nèi)核及一些可以根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成。其系統(tǒng)占用空間小、啟動(dòng)速度快、穩(wěn)定性好，并具有多任務(wù)、多線程的特征。與傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)相比， PooketIX采用標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 結(jié)構(gòu)，所有運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn) Limix 下的應(yīng)用軟件都可平滑移植到該系統(tǒng)上。 基于上述 IP可視電話架構(gòu)的分析，我選擇的是三星公司可視電話 成熟方案，選擇三星公司生產(chǎn)的 S3C2440 作為主控芯片，外部連接鍵盤，麥克風(fēng)，喇叭，以太網(wǎng)接口， 寸的 LCD 顯示器，再外連 OV511 攝像頭，這樣形成一個(gè)大體的意向框架，能有力地促進(jìn)下一步硬件環(huán)境的測試與軟件架構(gòu)的搭建。 嵌入式系統(tǒng)概述 根據(jù) IEEE（國際電機(jī)工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（ devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下 4個(gè)特點(diǎn)： 1）對實(shí)時(shí)任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。 2）具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的 軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。 3）可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。 7 4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至μ W級(jí)。 本文結(jié)構(gòu) 全文共六章，各章的內(nèi)容安排如下： 第一章簡述了可視 IP 電話終端的發(fā)展歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了目前市場上同類產(chǎn)品的特點(diǎn)，給出了本文的研究內(nèi)容。 第二章 研究了與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相關(guān)的技術(shù)并給出了軟硬件總體設(shè)計(jì)方案。 第三章首先給出了硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)和芯片的選型，接下來詳細(xì)闡述了S3C2440 芯片以及各個(gè)功能模塊的硬件原理圖，最后結(jié)合硬件測試過程給出了