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        基于FPGA的多對多KVM切換器設(shè)計

        2021-11-03 06:43:12馬建鵬喻崇仁王施人鄧威
        電子技術(shù)與軟件工程 2021年18期
        關(guān)鍵詞:按鈕設(shè)備系統(tǒng)

        馬建鵬 喻崇仁 王施人 鄧威

        (北京計算機技術(shù)及應(yīng)用研究所 北京市 100854)

        1 引言

        社會信息化程度的不斷提升,帶來更多的數(shù)據(jù)存儲與處理等需求。越來越多的數(shù)據(jù)中心、機房等被建設(shè)并投入使用,眾多計算機或服務(wù)器構(gòu)成的機群越來越普遍,伴隨著更復(fù)雜的管理和運維工作。為了便于管理與維護,在這些場所引入KVM 模塊。

        KVM,即Keyboard、Video、Mouse 三個單詞首字母縮寫[1]。KVM 切換器,即使用一套鍵盤、鼠標與顯示器終端,在多臺設(shè)備間進行連接切換,完成對多臺設(shè)備的訪問與控制[2]。然而,一套鍵盤、鼠標與顯示器終端同時僅能供一個操作人員完成管理與維護。在很多數(shù)據(jù)中心、機房等的環(huán)境部署中,為了更高的可靠性與性能,一組設(shè)備中通常存在多個設(shè)備相互關(guān)聯(lián)完成功能的情景。在這種情況下,使用一套鍵盤、鼠標與顯示器終端對該組設(shè)備進行訪問控制時,需要在多個設(shè)備間反復(fù)切換,極易產(chǎn)生誤操作且效率低下;同時,很多維護場景中,留給操作人員的時間有限,多個人員同時操作可顯著提升管理與維護人員操作效率;與此同時,支持多套終端接口的KVM 切換器,在個別鍵盤、鼠標與顯示器接口故障時,不會導(dǎo)致整個KVM 切換器不可用。

        2 系統(tǒng)功能分析

        相比較僅支持單套鍵盤、鼠標與顯示器終端的傳統(tǒng)KVM 切換系統(tǒng),本文設(shè)計了一款可支持多套鍵盤、鼠標與顯示器終端接入的KVM 系統(tǒng),如圖1 所示。本系統(tǒng)可支持一個以上鍵盤、鼠標與顯示器終端接入,以提高設(shè)備組管理維護效率,以及系統(tǒng)可靠性;考慮PS/2 接口良好的系統(tǒng)兼容性,按鍵不沖突的特性,以及較高的連接穩(wěn)定性,本系統(tǒng)支持PS/2接口鍵盤、鼠標接入[3],同時通過處理,可支持PS/2 接口鍵盤、鼠標的在線接入[4]。

        圖1:系統(tǒng)功能示意圖

        3 系統(tǒng)設(shè)計

        系統(tǒng)硬件包含一組切換按鈕,一組用于顯示的數(shù)碼管,一組用于顯示切換的模擬開關(guān),若干放大器,以及一片用于完成邏輯功能的FPGA 芯片。其中,切換按鈕組由多個切換按鈕矩陣構(gòu)成,每個切換按鈕矩陣的按鈕數(shù)量與最大支持的主機數(shù)量對應(yīng),切換按鈕矩陣數(shù)量與鍵盤/鼠標/顯示器套數(shù)對應(yīng);數(shù)碼顯示組由多個數(shù)碼管構(gòu)成,其數(shù)量與鍵盤/鼠標/顯示器套數(shù)對應(yīng);模擬開關(guān)芯片組由多個模擬多路復(fù)用器組成,在FPGA 的選通控制下,進行顯示切換。系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。系統(tǒng)一端外連多個主機,一端外聯(lián)多套鍵盤/鼠標/顯示器。

        圖2:系統(tǒng)硬件框圖

        系統(tǒng)邏輯由多個PS/2 設(shè)備端接口控制模塊、多個PS/2 主機端接口控制模塊與切換控制模塊構(gòu)成。其中,PS2/設(shè)備端接口控制模塊與PS/2 主機端接口控制模塊均包含相應(yīng)的初始化控制邏輯,即可獨立完成對應(yīng)接口的初始化過程,使得系統(tǒng)支持PS2 鍵盤/鼠標設(shè)備的熱插拔。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖3 所示。

        PS/2 設(shè)備端接口控制模塊主要負責虛擬PS/2 鍵盤/鼠標設(shè)備,完成與主機鍵盤和鼠標PS/2 接口的傳輸控制,以及在主機對鍵盤/鼠標初始化階段,完成與主機的交互過程。PS/2 設(shè)備端接口控制模塊由鍵盤PS/2 設(shè)備端傳輸控制子模塊、鼠標PS/2 設(shè)備端傳輸控制子模塊、PS/2 設(shè)備端初始化控制子模塊、鍵盤接口輸入緩存與鼠標接口輸入緩存構(gòu)成。其中,鍵盤PS/2 設(shè)備端傳輸控制子模塊主要完成接口數(shù)據(jù)的協(xié)議解析與載荷數(shù)據(jù)的提取,以及接口數(shù)據(jù)的協(xié)議封裝;鼠標PS/2 設(shè)備端控制子模塊完成功能與鍵盤PS/2 設(shè)備端傳輸控制子模塊類同;鍵盤接口輸入緩存與鼠標接口輸入用于在主機抑制數(shù)據(jù)接收時,少量數(shù)據(jù)的暫存;PS/2 設(shè)備端初始化控制子模塊主要用于模擬鍵盤與鼠標設(shè)備,在主機初始化鍵盤/鼠標設(shè)備階段,模擬鍵盤/鼠標設(shè)備,完成主機的初始化過程。

        PS/2 主機端接口控制模塊主要負責虛擬主機鍵盤/鼠標PS/2接口,完成與鍵盤和鼠標設(shè)備PS/2 接口的傳輸控制,以及在鍵盤/鼠標接入時,模擬主機發(fā)起對鍵盤/鼠標的初始化過程。PS/2 主機端接口控制模塊由鍵盤PS/2 主機端傳輸控制子模塊、鼠標PS/2 主機端傳輸控制子模塊與PS/2 主機端初始化控制子模塊構(gòu)成。其中,鍵盤PS/2 主機端傳輸控制子模塊主要完成接口數(shù)據(jù)的協(xié)議解析與載荷數(shù)據(jù)的提取,以及接口數(shù)據(jù)的協(xié)議封裝;鼠標PS/2 主機端控制子模塊完成功能與鍵盤PS/2 主機端傳輸控制子模塊類同;PS/2主機端初始化控制子模塊主要用于模擬主機鍵盤/鼠標PS/2 接口,在鍵盤/鼠標接入時,模擬主機發(fā)起對鍵盤/鼠標的初始化過程。

        切換控制模塊主要完成切換相關(guān)的功能,包括解析來自切換按鈕或鍵盤設(shè)備的切換信號,驅(qū)動數(shù)碼管顯示對應(yīng)鍵盤/鼠標/顯示器的對應(yīng)主機編號,設(shè)置顯示器與主機的連接關(guān)系,以及在PS/2主機端接口控制模塊與PS/2設(shè)備端接口控制模塊間進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。切換控制模塊在狀態(tài)機的控制下控制切換流程的正常進行,如圖4所示。切換控制模塊在接收到來自切換按鈕或鍵盤設(shè)備的切換信號后,啟動切換流程;首先檢測待切換的鼠標/鍵盤設(shè)備是否正在完成初始化,若正在進行初始化,則等待其初始化完成或終止;其次,檢測P2/S 主機端接口控制模塊是否正在傳輸指令或數(shù)據(jù),若正在傳輸轉(zhuǎn)發(fā)過程中,則等待其完成傳輸轉(zhuǎn)發(fā);然后,拉低待切換鍵盤/鼠標的時鐘信號,抑制其產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)或指令;檢測目標主機是否上電并連接,若檢測不到目標主機,則釋放鍵盤/鼠標時鐘信號,終止本次切換;在檢測到目標主機上電并連接后,檢測目標主機是否完成初始化過程,若目標主機尚未完成,則等待其完成;檢測到目標主機完成初始化指令后,根據(jù)目標主機記憶的鍵盤鼠標狀態(tài),開始對鍵盤/鼠標的設(shè)備狀態(tài)進行初始化;同時,建立目標主機與待切換顯示器的連接關(guān)系;最后,驅(qū)動數(shù)碼管,更改當前鍵盤鼠標顯示器的連接顯示狀態(tài),完成本次切換。

        4 總結(jié)

        本設(shè)計針對傳統(tǒng)KVM 切換器在需同時管理維護多臺設(shè)備的某些場景中誤操作率高,在管理維護任務(wù)緊急時無法進行多人同時操作,以及任意終端接口的損壞即導(dǎo)致系統(tǒng)不可用的情況,基于FPGA 芯片,設(shè)計一套可同時支持多套鍵盤、鼠標與顯示器終端在線接入的多對多KVM 切換系統(tǒng)。該系統(tǒng)可提高數(shù)據(jù)中心、機房內(nèi)的設(shè)備組管理維護效率,以及KVM 切換系統(tǒng)可靠性,擁有良好的可行性,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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