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。