0 引言

隨著電子設(shè)備技術(shù)不斷發(fā)展和產(chǎn)品功能不斷增加，一般情況下，產(chǎn)品功能通常需要多個(gè)計(jì)算機(jī)配合實(shí)現(xiàn)。另一方面，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了提高產(chǎn)品的可靠性，計(jì)算機(jī)備份技術(shù)作為提高產(chǎn)品可靠性重要手段之一也越來(lái)越多被采用。在這種情況下，為了降低產(chǎn)品的復(fù)雜度，合理使用有限的空間，在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，往往只有單套計(jì)算機(jī)外設(shè)配給多套主機(jī)使用。此時(shí)，需要解決多個(gè)主機(jī)之間的顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)的動(dòng)態(tài)切換問(wèn)題。
而這一問(wèn)題可以通過(guò)外設(shè)共享來(lái)解決，使用外設(shè)共享控制器，可實(shí)現(xiàn)雙主機(jī)或者多主機(jī)之間顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)的動(dòng)態(tài)切換，從而實(shí)現(xiàn)有限資源的合理利用。

1 設(shè)計(jì)原理

1．1 外設(shè)共享控制器的功能介紹

按下外設(shè)共享控制器的主機(jī)1按鍵，外設(shè)顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)連接到主機(jī)1，同時(shí)主機(jī)1按鍵指示燈亮；按下主機(jī)2按鍵，外設(shè)顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)連接到主機(jī)2，同時(shí)主機(jī)2按鍵指示燈亮。外設(shè)共享控制器具有自動(dòng)掃描功能，能夠監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。主機(jī)1先啟動(dòng)，則外設(shè)顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)連接到主機(jī)1，同時(shí)主機(jī)1按鍵指示燈亮；主機(jī)2先啟動(dòng)，則外設(shè)顯示器和鍵盤、鼠標(biāo)連接到主機(jī)2，同時(shí)主機(jī)2按鍵指示燈亮。另外，也可通過(guò)鍵盤上設(shè)定的熱鍵(連續(xù)按兩次Ctrl鍵)來(lái)控制鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器信號(hào)的切換。

1．2 PS／2、VGA接口介紹

外設(shè)共享控制器涉及的外設(shè)是鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器，接口類型分別是PS／2口、PS／2口和VGA口。PS／2鍵盤和鼠標(biāo)履行一種雙向步串行協(xié)議。也就是說(shuō)，每次數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)并且每在時(shí)鐘線上發(fā)一個(gè)脈沖就被讀入。鍵盤／鼠標(biāo)可以發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，而主機(jī)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備，但主機(jī)總是在總線上有優(yōu)先權(quán)，它可以在任何時(shí)候抑制來(lái)自于鍵盤／鼠標(biāo)的通訊，只要把時(shí)鐘拉低即可。從鍵盤／鼠標(biāo)發(fā)送到主機(jī)的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿(CLK由高到低的時(shí)候)被讀??；從主機(jī)發(fā)送到鍵盤／鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)在上升沿(當(dāng)時(shí)鐘從低變到高的時(shí)候)被讀取。不管通訊的方向怎樣，鍵盤／鼠標(biāo)總是產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。一個(gè)PS／2設(shè)備的工作頻率推薦值為15kHz左右，這意味著時(shí)鐘應(yīng)該是高40μs低40μs。所有的數(shù)據(jù)位安排在一個(gè)字節(jié)中，每個(gè)字節(jié)為一幀，包含11～12個(gè)位。這些位為1個(gè)起始位0、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)校驗(yàn)位、1個(gè)停止位和1個(gè)應(yīng)答位。常用的六芯插座布局及其定義見(jiàn)圖1。
             

VGA接口是一種COMS／TTL接口，15芯插座布局及其定義見(jiàn)圖2和表1。VGA信號(hào)本身不需要初始化，可直接進(jìn)行切換。

1．3 外設(shè)共享控制器的設(shè)計(jì)原理

外設(shè)共享控制器的原理見(jiàn)圖3，設(shè)計(jì)采用ATMEL公司的AT89S8252單片機(jī)，它擁有8k flash存儲(chǔ)區(qū)、256×8位RAM。AT89S8252自帶EEPRO-M，且其P0、P1、P2、P3均可作為I／O口使用。在本設(shè)計(jì)中，鍵盤鼠標(biāo)等PS／2口的切換主要是通過(guò)雙刀雙擲繼電器實(shí)現(xiàn)，顯示的R、G、B信號(hào)主要通過(guò)AD8183芯片完成信號(hào)切換，H、V信號(hào)通過(guò)54LS157芯片完成信號(hào)切換。為保證顯示信號(hào)切換的一致性，通過(guò)一個(gè)雙刀雙擲繼電器對(duì)AD8183和54LS157進(jìn)行統(tǒng)一控制。本文為兩臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一套鍵盤鼠標(biāo)共享電路，計(jì)算機(jī)數(shù)量多時(shí)，情形類似。

2 設(shè)計(jì)買現(xiàn)

外設(shè)共享控制器需要解決計(jì)算機(jī)啟動(dòng)對(duì)外設(shè)(PS／2、VGA)初始化，并在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)完成后，控制信號(hào)的動(dòng)態(tài)切換。共分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

2．1 硬件設(shè)計(jì)

單片機(jī)U1的P1口接鍵盤K0、鼠標(biāo)M0的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)線；P0口接計(jì)算機(jī)的鍵盤鼠標(biāo)信號(hào)線，即：PCI的時(shí)鐘線kbclk1、mselk1，數(shù)據(jù)線kbda-ta1、msdata1，PC2的時(shí)鐘線kbclk2、msclk2，數(shù)據(jù)線kbdata2，msdata2；P2口用來(lái)控制計(jì)算機(jī)間的切換。
計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，P0口的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)線被拉高和拉低，單片機(jī)檢測(cè)這些狀態(tài)，并根據(jù)PS／2協(xié)議讀出這些發(fā)來(lái)的命令。然后把這些命令直接發(fā)送給鍵盤K0。K0應(yīng)答計(jì)算機(jī)的命令，單片機(jī)把這些應(yīng)答數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī)。對(duì)于后臺(tái)計(jì)算機(jī)，單片機(jī)直接回應(yīng)這些計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的命令。鼠標(biāo)和計(jì)算機(jī)間的聯(lián)系和鍵盤相同。
 

習(xí)慣上，指定其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)為前臺(tái)計(jì)算機(jī)，單片機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)這臺(tái)計(jì)算機(jī)的命令、數(shù)據(jù)給鍵盤。當(dāng)這臺(tái)計(jì)算機(jī)沒(méi)有接入時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)指定另一臺(tái)為前臺(tái)計(jì)算機(jī)。
單片機(jī)的P2口外接一瞬態(tài)開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，單片機(jī)接受一個(gè)脈沖，于是就把當(dāng)前的前臺(tái)計(jì)算機(jī)和后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行互換。并放置指示燈指示對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)的狀態(tài)。
顯示信號(hào)分R、G、B信號(hào)，H、V信號(hào)。前三個(gè)信號(hào)為模擬信號(hào)，用AD8183芯片控制，在這個(gè)片子的輸入輸出端要力175Ω的匹配電阻，并且這個(gè)片子需要5V電源供電。輸出選擇端在U2的223腳SEL，當(dāng)SEL端接地時(shí)，A路輸出，否則B路輸出。H、V信號(hào)由54LS157控制，這是四組2選1的數(shù)據(jù)選擇器，它的選擇端在1腳，1腳拉高B路輸出，1腳拉低A路輸出。這兩個(gè)片子的選擇端接到一個(gè)雙刀雙擲繼電器，對(duì)AD8183和154LS15 7進(jìn)行統(tǒng)一控制。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，運(yùn)行BIOS，檢測(cè)主板和各種外部硬件設(shè)備，識(shí)別其設(shè)備類型，并對(duì)它們進(jìn)行初始化。當(dāng)檢測(cè)鍵盤時(shí)，如果掃描不到，且計(jì)算機(jī)在BIOS中設(shè)置PostBehavior->keyboard Errors->Report，計(jì)算機(jī)就會(huì)停止初始化，顯示出錯(cuò)信息；否則，認(rèn)為鍵盤不存在，跳過(guò)該設(shè)
備，計(jì)算機(jī)初始化結(jié)束后該設(shè)備不能用。當(dāng)多臺(tái)計(jì)算機(jī)與一個(gè)鍵盤相連時(shí)，必須給沒(méi)有與鍵盤物理連接的計(jì)算機(jī)建立虛擬的鍵盤。這個(gè)虛擬外設(shè)能夠完成與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換，幫助計(jì)算機(jī)順利通過(guò)BIOS檢測(cè)。同樣，對(duì)于鼠標(biāo)，也必須建立虛擬鼠標(biāo)使計(jì)算機(jī)通過(guò)BIOS檢測(cè)。虛擬鍵盤和虛擬鼠標(biāo)這些虛擬外設(shè)，在計(jì)算機(jī)給出命令時(shí)，應(yīng)答命令，使計(jì)算機(jī)確信該外設(shè)存在。
BIOS檢測(cè)完成后，計(jì)算機(jī)進(jìn)入系統(tǒng)初始化過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，操作系統(tǒng)要對(duì)外部設(shè)備的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。鍵盤要設(shè)置機(jī)打速率／延遲(typematic rate／delay)；鼠標(biāo)要設(shè)置采樣率(sample rate)，讀取設(shè)備類型(不同類型的鼠標(biāo)有不同的ID)，設(shè)置分辨率(resolution，設(shè)置為每mm多少個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)counts／mm)，比例(scaling)，設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)告禁止／允許。同樣，對(duì)于計(jì)算機(jī)必須建立虛擬外設(shè)，使系統(tǒng)確認(rèn)外設(shè)存在，以通過(guò)初始化。
當(dāng)上述過(guò)程完成后，系統(tǒng)就順利通過(guò)了初始化。顯示器顯示一臺(tái)計(jì)算機(jī)的畫面，該畫面對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)稱為前臺(tái)計(jì)算機(jī)，不被顯示畫面的計(jì)算機(jī)為后臺(tái)計(jì)算機(jī)。按下共享控制器上的切換按鈕，外設(shè)選擇一后臺(tái)計(jì)算機(jī)，把其置前成為前臺(tái)計(jì)算機(jī)，此時(shí)，顯示器顯示該計(jì)算機(jī)的畫面，鍵盤鼠標(biāo)響應(yīng)該計(jì)算機(jī)。原先的前臺(tái)計(jì)算機(jī)變?yōu)楹笈_(tái)工作。
啟動(dòng)過(guò)程的程序流程圖見(jiàn)圖4。

本文用Keil C開發(fā)，它提供了豐富的數(shù)據(jù)類型，極大地增強(qiáng)了程序處理能力和靈活性，它能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)中斷服務(wù)程序的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和恢復(fù)，目標(biāo)程序效率高、可移植性好，是一種高級(jí)語(yǔ)言，可讀性強(qiáng)，維護(hù)使用方便靈活。軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。主程序完成系統(tǒng)的初始化和計(jì)算機(jī)命令的響應(yīng)、鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)的發(fā)送。中斷程序主要包括鍵盤熱鍵切換、外部按鍵切換。軟件功能模塊結(jié)構(gòu)清晰可讀。程序流程圖見(jiàn)圖4和圖5。

系統(tǒng)上電，外設(shè)共享控制器上電并開始對(duì)AT89S8252初始化。包括對(duì)變量、串口、定時(shí)器、中斷控制、看門狗進(jìn)行初始化操作。在這個(gè)過(guò)程中還需要對(duì)外部的計(jì)算機(jī)的PS／2外設(shè)進(jìn)行初始化應(yīng)答。并且自動(dòng)掃描啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，PS／2、VGA外設(shè)連接啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，并顯示啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的畫面。
當(dāng)完成BIOS檢測(cè)和操作系統(tǒng)檢測(cè)應(yīng)答后，單片機(jī)進(jìn)入主程序，執(zhí)行正常鍵盤鼠標(biāo)的操作功能。讀取P1．1上鍵盤給主機(jī)的數(shù)據(jù)看是否有“切換前／后臺(tái)計(jì)算機(jī)”的熱鍵按下，如果是，將切換；否則，連接當(dāng)前計(jì)算機(jī)。
 

3 設(shè)計(jì)小結(jié)

本論文完成了主機(jī)1和主機(jī)2的鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器幾種外設(shè)的共享，解決了PS／2口、VGA接口共享時(shí)遇到的問(wèn)題。實(shí)物經(jīng)過(guò)篩選試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)，性能良好，安全可靠。