基于FPGA的KVM切换器的设计与实现
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山西电子技术 ２０１８年第 ２期
应用实践
文章编号：１６７４４５７８（２０１８）０２００２４０３
基于 ＦＰＧＡ的 ＫＶＭ切换器的设计与实现
郭栋梁，柏淑红，杨 伟，李晓飞
（山西大众电子信息产业集团有限公司 军用信息设备事业部，山西 太原 ０３００２４） 摘 要：针对狭小空间内多主机的应用场景，以及原有 ＫＶＭ切换器占用空间大、响应速度慢、电 路复杂程度高等缺点，设计并实现了基于 ＦＰＧＡ的 ＫＶＭ切换器，该 ＫＶＭ切换器基于可编程逻辑器 件，实现了键盘、鼠标、ＶＧＡ信号的 １路转多路切换。实验证明，该切换器能够完成 ＰＳ／２键盘鼠标信 号及 ＶＧＡ信号的 １路转多路切换，具有占用空间小、电路结构简单、响应速度快、实时性高等优点。 关键词：ＦＰＧＡ；ＫＶＭ切换器；ＰＳ／２键鼠 中图分类号：ＴＰ３３４ 文献标识码：Ａ
１ ＫＶＭ 切换器工作原理
ＫＶＭ切换器也称“ＫＶＭ 多电脑切换器”，它是 Ｋｅｙｂｏａｒｄ（键盘）、Ｖｉｄｅｏ（显示器）和 Ｍｏｕｓｅ（鼠标）三 个单词的第一个字母，即能够实现用一套显示器、键 盘、鼠标来控制多台主机设备［１］。随着各种场所的 信息化及装备的复杂化发展，为有效减少人员的配 置、节约占用面积，须在这些场所引入 ＫＶＭ 模块， 以提高系统的合理性及管理人员的工作效率，节约 有限的工作面积，降低网络及系统的总体设备成本。 如图 １所示为 ＫＶＭ切换器原理框图。
收稿日期：２０１８－０２－０８ 修回日期：２０１８－０３－２２ 作者简介：郭栋梁（１９８７），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：通信与信息系统。
第 ２期 郭栋梁，等：基于 ＦＰＧＡ的 ＫＶＭ切换器的设计与实现
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个时钟的下降沿读入数据，并在读取 ８ｂｉｔ的 ＤＡＴＡ 后校验设备发来的奇偶校验位，最后产生一个 ＳＴＯＰ 停止信号完成本次设备到主机的通信。 ２．１．２ ＰＳ／２主机到设备通讯协议分析
从键盘 ／鼠标发送到主机的数据在时钟信号的 下降沿，即 当 时 钟 从 高 变 到 低 的 时 候 被 主 机 读 取［４］。ＰＳ／２设备到主机通讯过程如图 ２所示。
图 １ ＫＶＭ切换器原理框图
系统由外围控制设备、ＦＰＧＡ、显示切换开关以及 ＰＣ机群组成。ＰＳ／２键盘鼠标与主机的通信完全由 ＦＰＧＡ编程完成，ＶＧＡ与串口信号由 ＦＰＧＡ控制模拟 开关完成信号的传输与切换。整个 ＫＶＭ切换器具有 结构简单、电路复杂程度低、响应速度快等优点。
图 ３ ＰＳ／２主机到设备通讯过程
主机要向 ＰＳ／２设备发送数据时，首先将时钟信 号拉 低 １００ｕｓ以 上，然 后 拉 低 时 钟 线 产 生 一 个 ＳＴＡＲＴ起始信号。当设备检测到这个状态后，将开 始产生时钟信号，并且时钟脉冲标记下输入八个数 据位、一个奇偶校验位和一个停止位。之后拉低数 据线产生一个 ＡＣＫ回应位，以应答主机，表明数据 已收到。最后拉高数据线完成本次主机到设备的 通信。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
是由 ＩＢＭ开发并且最初出现在 ＩＢＭ 技术参考手册 里［２］。现在的 ＰＳ／２设备接口仍广泛应用于对连接 稳定性要求较高的场景下。
ＰＳ／２鼠标和键盘是一种双向同步串行协议，键 盘 ／鼠标可以发送数据到主机，而主机也可以发送数 据到设备。但主机总是在总线上有优先权，它可以 在任何时候抑制来自于键盘 ／鼠标的通讯，主机只要 把时钟拉低即可［３］。由于 ＰＳ／２接口协议并不是一 个十分标准的协议，这里我们按照一般的设备设置， 将时钟频率设置为 １５ＭＨｚ。这里需要主机，不管通 信方向是从主机到设备还是从设备到主机，时钟都 是由设备产生。 ２．１．１ ＰＳ／２设备到主机通讯协议分析
参考文献
［１］ 马光华，郑建立．基于 ＦＰＧＡ和 ＡＲＭ９微控制
器的 ＫＶＭ 交 换 机 设 计 ［Ｊ］．仪 表 技 术，２０１３
３ ＫＶＭ 切换器工作流程
３．１ ＦＰＧＡ工作模块框图 由于该 ＫＶＭ切换器中只是用了一个 ＦＰＧＡ芯
片，虽然电路设计上大大简化，但需要使用 ＦＰＧＡ通 过内部逻辑实现模拟 ＰＳ／２外设与主机初始化模块、 模拟主机与 ＰＳ／２外设初始化模块，键鼠工作模块、 键盘点电灯记忆模块、切换指示模块、状态打印模块 等模块，以此来完成 ＫＶＭ 切换器的正常工作。ＦＰ ＧＡ工作模块框图如图 ４所示。
图 ５ ＫＶＭ切换器工作流程
３．３ 测试结果及性能分析 在电路板 调 试 以 及 程 序 调 试 完 成 后，在 ＫＶＭ
切换器上外接 ＰＳ／２键盘、鼠标、显示器、一路 Ｗｉｎ ｄｏｗ７系统主机、一路 Ｌｉｎｕｘ系统主机。实验证明， ＫＶＭ切换 器 能 快 速 稳 定 的 完 成 一 路 键 盘、鼠 标、 ＶＧＡ及串口向两路键盘、鼠标、ＶＧＡ及串口的转换。 其中 ＰＳ／２键盘、鼠标实时采集数据以及电路板实物 图分别如图 ６、图 ７所示。
从主机发送到设备的数据在时钟信号的上升 沿，即当时钟从低变到高的时候被设备读取。ＰＳ／２ 主机到设备通讯过程如图 ３所示。
拟主机与设备进行初始化。在初始化完成后，进入 键盘鼠标工作模块，在这期间，切换器会持续检测主 机是否重启、切换开关是否动作，如果切换开关有动 作或者主机重启，则重新进入初始化流程。ＫＶＭ 切 换器工作流程如图 ５所示。
２ ＫＶＭ 切换器程序设计
２．１ ＰＳ／２接口协议分析 ＰＳ／２设备接口用于许多现代的鼠标和键盘，它
图 ２ ＰＳ／２设备到主机通讯过程
ＰＳ／２设备要向主机发送数据时，首先检测 时 钟、数据线是否都是高电平，以此来判断主机是否需 要对外设进行通信，如果时钟数据都为高，ＰＳ／２设 备先将数据拉低，之后产生时钟下降沿以产生一个 ＳＴＡＲＴ信号，通知主机数据发送开始［５］。主机在每
图 ４ ＦＰＧＡ工作模块框图
３．２ ＫＶＭ 切换器工作流程 当 ＫＶＭ 切换器上电自检完成后，程序中会持
续检测主机是否上电，如果主机上电，ＦＰＧＡ初始化 模块开始工作，分别模拟设备与主机进行初始化、模
图 ６ ＰＳ／２键盘、鼠标实时采集数据
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山 西 电 子 技 术 ２０１８年
应用实践
文章编号：１６７４４５７８（２０１８）０２００２４０３
基于 ＦＰＧＡ的 ＫＶＭ切换器的设计与实现
郭栋梁，柏淑红，杨 伟，李晓飞
（山西大众电子信息产业集团有限公司 军用信息设备事业部，山西 太原 ０３００２４） 摘 要：针对狭小空间内多主机的应用场景，以及原有 ＫＶＭ切换器占用空间大、响应速度慢、电 路复杂程度高等缺点，设计并实现了基于 ＦＰＧＡ的 ＫＶＭ切换器，该 ＫＶＭ切换器基于可编程逻辑器 件，实现了键盘、鼠标、ＶＧＡ信号的 １路转多路切换。实验证明，该切换器能够完成 ＰＳ／２键盘鼠标信 号及 ＶＧＡ信号的 １路转多路切换，具有占用空间小、电路结构简单、响应速度快、实时性高等优点。 关键词：ＦＰＧＡ；ＫＶＭ切换器；ＰＳ／２键鼠 中图分类号：ＴＰ３３４ 文献标识码：Ａ
１ ＫＶＭ 切换器工作原理
ＫＶＭ切换器也称“ＫＶＭ 多电脑切换器”，它是 Ｋｅｙｂｏａｒｄ（键盘）、Ｖｉｄｅｏ（显示器）和 Ｍｏｕｓｅ（鼠标）三 个单词的第一个字母，即能够实现用一套显示器、键 盘、鼠标来控制多台主机设备［１］。随着各种场所的 信息化及装备的复杂化发展，为有效减少人员的配 置、节约占用面积，须在这些场所引入 ＫＶＭ 模块， 以提高系统的合理性及管理人员的工作效率，节约 有限的工作面积，降低网络及系统的总体设备成本。 如图 １所示为 ＫＶＭ切换器原理框图。
收稿日期：２０１８－０２－０８ 修回日期：２０１８－０３－２２ 作者简介：郭栋梁（１９８７），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向：通信与信息系统。
第 ２期 郭栋梁，等：基于 ＦＰＧＡ的 ＫＶＭ切换器的设计与实现
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个时钟的下降沿读入数据，并在读取 ８ｂｉｔ的 ＤＡＴＡ 后校验设备发来的奇偶校验位，最后产生一个 ＳＴＯＰ 停止信号完成本次设备到主机的通信。 ２．１．２ ＰＳ／２主机到设备通讯协议分析
从键盘 ／鼠标发送到主机的数据在时钟信号的 下降沿，即 当 时 钟 从 高 变 到 低 的 时 候 被 主 机 读 取［４］。ＰＳ／２设备到主机通讯过程如图 ２所示。
图 １ ＫＶＭ切换器原理框图
系统由外围控制设备、ＦＰＧＡ、显示切换开关以及 ＰＣ机群组成。ＰＳ／２键盘鼠标与主机的通信完全由 ＦＰＧＡ编程完成，ＶＧＡ与串口信号由 ＦＰＧＡ控制模拟 开关完成信号的传输与切换。整个 ＫＶＭ切换器具有 结构简单、电路复杂程度低、响应速度快等优点。
图 ３ ＰＳ／２主机到设备通讯过程
主机要向 ＰＳ／２设备发送数据时，首先将时钟信 号拉 低 １００ｕｓ以 上，然 后 拉 低 时 钟 线 产 生 一 个 ＳＴＡＲＴ起始信号。当设备检测到这个状态后，将开 始产生时钟信号，并且时钟脉冲标记下输入八个数 据位、一个奇偶校验位和一个停止位。之后拉低数 据线产生一个 ＡＣＫ回应位，以应答主机，表明数据 已收到。最后拉高数据线完成本次主机到设备的 通信。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
是由 ＩＢＭ开发并且最初出现在 ＩＢＭ 技术参考手册 里［２］。现在的 ＰＳ／２设备接口仍广泛应用于对连接 稳定性要求较高的场景下。
ＰＳ／２鼠标和键盘是一种双向同步串行协议，键 盘 ／鼠标可以发送数据到主机，而主机也可以发送数 据到设备。但主机总是在总线上有优先权，它可以 在任何时候抑制来自于键盘 ／鼠标的通讯，主机只要 把时钟拉低即可［３］。由于 ＰＳ／２接口协议并不是一 个十分标准的协议，这里我们按照一般的设备设置， 将时钟频率设置为 １５ＭＨｚ。这里需要主机，不管通 信方向是从主机到设备还是从设备到主机，时钟都 是由设备产生。 ２．１．１ ＰＳ／２设备到主机通讯协议分析
参考文献
［１］ 马光华，郑建立．基于 ＦＰＧＡ和 ＡＲＭ９微控制
器的 ＫＶＭ 交 换 机 设 计 ［Ｊ］．仪 表 技 术，２０１３
３ ＫＶＭ 切换器工作流程
３．１ ＦＰＧＡ工作模块框图 由于该 ＫＶＭ切换器中只是用了一个 ＦＰＧＡ芯
片，虽然电路设计上大大简化，但需要使用 ＦＰＧＡ通 过内部逻辑实现模拟 ＰＳ／２外设与主机初始化模块、 模拟主机与 ＰＳ／２外设初始化模块，键鼠工作模块、 键盘点电灯记忆模块、切换指示模块、状态打印模块 等模块，以此来完成 ＫＶＭ 切换器的正常工作。ＦＰ ＧＡ工作模块框图如图 ４所示。
图 ５ ＫＶＭ切换器工作流程
３．３ 测试结果及性能分析 在电路板 调 试 以 及 程 序 调 试 完 成 后，在 ＫＶＭ
切换器上外接 ＰＳ／２键盘、鼠标、显示器、一路 Ｗｉｎ ｄｏｗ７系统主机、一路 Ｌｉｎｕｘ系统主机。实验证明， ＫＶＭ切换 器 能 快 速 稳 定 的 完 成 一 路 键 盘、鼠 标、 ＶＧＡ及串口向两路键盘、鼠标、ＶＧＡ及串口的转换。 其中 ＰＳ／２键盘、鼠标实时采集数据以及电路板实物 图分别如图 ６、图 ７所示。
从主机发送到设备的数据在时钟信号的上升 沿，即当时钟从低变到高的时候被设备读取。ＰＳ／２ 主机到设备通讯过程如图 ３所示。
拟主机与设备进行初始化。在初始化完成后，进入 键盘鼠标工作模块，在这期间，切换器会持续检测主 机是否重启、切换开关是否动作，如果切换开关有动 作或者主机重启，则重新进入初始化流程。ＫＶＭ 切 换器工作流程如图 ５所示。
２ ＫＶＭ 切换器程序设计
２．１ ＰＳ／２接口协议分析 ＰＳ／２设备接口用于许多现代的鼠标和键盘，它
图 ２ ＰＳ／２设备到主机通讯过程
ＰＳ／２设备要向主机发送数据时，首先检测 时 钟、数据线是否都是高电平，以此来判断主机是否需 要对外设进行通信，如果时钟数据都为高，ＰＳ／２设 备先将数据拉低，之后产生时钟下降沿以产生一个 ＳＴＡＲＴ信号，通知主机数据发送开始［５］。主机在每
图 ４ ＦＰＧＡ工作模块框图
３．２ ＫＶＭ 切换器工作流程 当 ＫＶＭ 切换器上电自检完成后，程序中会持
续检测主机是否上电，如果主机上电，ＦＰＧＡ初始化 模块开始工作，分别模拟设备与主机进行初始化、模
图 ６ ＰＳ／２键盘、鼠标实时采集数据
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山 西 电 子 技 术 ２０１８年
