基于FPGA的KVM切換器的設(shè)計與實現(xiàn)

郭棟梁，柏淑紅，楊 偉，李曉飛

(山西大眾電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司 軍用信息設(shè)備事業(yè)部，山西 太原 030024)

1 KVM切換器工作原理

KVM切換器也稱“KVM多電腦切換器”，它是Keyboard(鍵盤)、Video(顯示器)和Mouse(鼠標)三個單詞的第一個字母，即能夠?qū)崿F(xiàn)用一套顯示器、鍵盤、鼠標來控制多臺主機設(shè)備[1]。隨著各種場所的信息化及裝備的復(fù)雜化發(fā)展，為有效減少人員的配置、節(jié)約占用面積，須在這些場所引入KVM模塊，以提高系統(tǒng)的合理性及管理人員的工作效率，節(jié)約有限的工作面積，降低網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的總體設(shè)備成本。如圖1所示為KVM切換器原理框圖。

圖1 KVM切換器原理框圖

系統(tǒng)由外圍控制設(shè)備、FPGA、顯示切換開關(guān)以及PC機群組成。PS/2鍵盤鼠標與主機的通信完全由FPGA編程完成，VGA與串口信號由FPGA控制模擬開關(guān)完成信號的傳輸與切換。整個KVM切換器具有結(jié)構(gòu)簡單、電路復(fù)雜程度低、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。

2 KVM切換器程序設(shè)計

2.1 PS/2接口協(xié)議分析

PS/2設(shè)備接口用于許多現(xiàn)代的鼠標和鍵盤，它是由IBM開發(fā)并且最初出現(xiàn)在IBM技術(shù)參考手冊里[2]。現(xiàn)在的PS/2設(shè)備接口仍廣泛應(yīng)用于對連接穩(wěn)定性要求較高的場景下。

PS/2鼠標和鍵盤是一種雙向同步串行協(xié)議，鍵盤/鼠標可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機，而主機也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備。但主機總是在總線上有優(yōu)先權(quán)，它可以在任何時候抑制來自于鍵盤/鼠標的通訊，主機只要把時鐘拉低即可[3]。由于PS/2接口協(xié)議并不是一個十分標準的協(xié)議，這里我們按照一般的設(shè)備設(shè)置，將時鐘頻率設(shè)置為15MHz。這里需要主機，不管通信方向是從主機到設(shè)備還是從設(shè)備到主機，時鐘都是由設(shè)備產(chǎn)生。

2.1.1 PS/2設(shè)備到主機通訊協(xié)議分析

從鍵盤/鼠標發(fā)送到主機的數(shù)據(jù)在時鐘信號的下降沿，即當時鐘從高變到低的時候被主機讀取[4]。PS/2設(shè)備到主機通訊過程如圖2所示。

圖2 PS/2設(shè)備到主機通訊過程

PS/2設(shè)備要向主機發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先檢測時鐘、數(shù)據(jù)線是否都是高電平，以此來判斷主機是否需要對外設(shè)進行通信，如果時鐘數(shù)據(jù)都為高，PS/2設(shè)備先將數(shù)據(jù)拉低，之后產(chǎn)生時鐘下降沿以產(chǎn)生一個START信號，通知主機數(shù)據(jù)發(fā)送開始[5]。主機在每個時鐘的下降沿讀入數(shù)據(jù)，并在讀取8 bit的DATA后校驗設(shè)備發(fā)來的奇偶校驗位，最后產(chǎn)生一個STOP停止信號完成本次設(shè)備到主機的通信。

2.1.2 PS/2主機到設(shè)備通訊協(xié)議分析

從主機發(fā)送到設(shè)備的數(shù)據(jù)在時鐘信號的上升沿，即當時鐘從低變到高的時候被設(shè)備讀取。PS/2主機到設(shè)備通訊過程如圖3所示。

圖3 PS/2主機到設(shè)備通訊過程

主機要向PS/2設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將時鐘信號拉低100 us以上，然后拉低時鐘線產(chǎn)生一個START起始信號。當設(shè)備檢測到這個狀態(tài)后，將開始產(chǎn)生時鐘信號，并且時鐘脈沖標記下輸入八個數(shù)據(jù)位、一個奇偶校驗位和一個停止位。之后拉低數(shù)據(jù)線產(chǎn)生一個ACK回應(yīng)位，以應(yīng)答主機，表明數(shù)據(jù)已收到。最后拉高數(shù)據(jù)線完成本次主機到設(shè)備的通信。

3 KVM切換器工作流程

3.1 FPGA工作模塊框圖

由于該KVM切換器中只是用了一個FPGA芯片，雖然電路設(shè)計上大大簡化，但需要使用FPGA通過內(nèi)部邏輯實現(xiàn)模擬PS/2外設(shè)與主機初始化模塊、模擬主機與PS/2外設(shè)初始化模塊，鍵鼠工作模塊、鍵盤點電燈記憶模塊、切換指示模塊、狀態(tài)打印模塊等模塊，以此來完成KVM切換器的正常工作。FPGA工作模塊框圖如圖4所示。

圖4 FPGA工作模塊框圖

3.2 KVM切換器工作流程

當KVM切換器上電自檢完成后，程序中會持續(xù)檢測主機是否上電，如果主機上電，F(xiàn)PGA初始化模塊開始工作，分別模擬設(shè)備與主機進行初始化、模擬主機與設(shè)備進行初始化。在初始化完成后，進入鍵盤鼠標工作模塊，在這期間，切換器會持續(xù)檢測主機是否重啟、切換開關(guān)是否動作，如果切換開關(guān)有動作或者主機重啟，則重新進入初始化流程。KVM切換器工作流程如圖5所示。

圖5 KVM切換器工作流程

3.3 測試結(jié)果及性能分析

在電路板調(diào)試以及程序調(diào)試完成后，在KVM切換器上外接PS/2鍵盤、鼠標、顯示器、一路Window7系統(tǒng)主機、一路Linux系統(tǒng)主機。實驗證明，KVM切換器能快速穩(wěn)定的完成一路鍵盤、鼠標、VGA及串口向兩路鍵盤、鼠標、VGA及串口的轉(zhuǎn)換。其中PS/2鍵盤、鼠標實時采集數(shù)據(jù)以及電路板實物圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 PS/2鍵盤、鼠標實時采集數(shù)據(jù)

圖7 電路板實物圖

4 經(jīng)濟效益

該切換器已經(jīng)過某型車上實驗驗證，實現(xiàn)了多路主機的信號切換功能，并已經(jīng)驗證了該切換器的穩(wěn)定性。在信息化及裝備復(fù)雜化的今天，KVM切換器的應(yīng)用范圍也將越來越廣泛。

[1] 馬光華,鄭建立.基于FPGA和ARM9微控制器的KVM交換機設(shè)計[J].儀表技術(shù),2013(9):23-25，28.

[2] 陳坤.基于電容式觸摸技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué),2012.

[3] 錢幸存,高同國.基于單片機的多計算機外設(shè)共享控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù),2011,38(5):29-30，28.

[4] 孫杰.一種基于CPLD的PS2接口切換設(shè)計方法[J].電子技術(shù),2017,46(4):45-47.

[5] 張利民,鄒益民.一種具有語音播報功能的PS/2鍵盤鼠標測試儀設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2014(6):68-70，73.