一種通用、低成本的KVM over IP控制器的設(shè)計(jì)方案

KVM over IP是通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸鍵盤Keyboard、顯示器Video、鼠標(biāo)Mouse信號的簡稱，系統(tǒng)由接入側(cè)的控制器和遠(yuǎn)程的客戶端構(gòu)成。目前，控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要依賴于專用芯片。本文以TI的達(dá)芬奇技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合視頻解碼芯片，介紹了一種通用的、低成本的KVM over IP控制器的設(shè)計(jì)方案。

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KVM是Keyboard（鍵盤）、Video（顯示器）、Mouse（鼠標(biāo)）的縮寫，常特指KVM Switch（控制器），即多臺計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)I/O口連接到一臺KVM Switch上，通過切換開關(guān)，共享Switch上連接的一套鍵盤、顯示器和鼠標(biāo)，以簡化資源配置和操作，實(shí)現(xiàn)一對多的控制，在計(jì)算機(jī)房的管理和維護(hù)中得到了大量的應(yīng)用。但由于是電纜連接，使用距離受限，影響了這種模擬KVM 的控制范圍和擴(kuò)展性。

KVM over IP,通常又簡寫為KVMoIP,也稱為數(shù)字KVM.它是從本地計(jì)算機(jī)上采集視頻信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信息，壓縮成IP包后，通過互聯(lián)網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送，遠(yuǎn)程控制臺收到IP 包后，將其解包、轉(zhuǎn)換，在控制臺的屏幕上呈現(xiàn)；管理人員據(jù)此操作控制臺的鍵盤、鼠標(biāo)，發(fā)出的一系列控制命令由控制臺組合成IP包，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)再回送到本地側(cè)，解包后還原為鍵盤鼠標(biāo)信號，從而讓本地計(jì)算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

1 基于TI 達(dá)芬奇技術(shù)的KVMoIP 設(shè)計(jì)

KVMoIP的產(chǎn)品形態(tài)主要有外置式和內(nèi)置式兩種。

圖1是外置式KVMoIP的典型組網(wǎng)示意圖，一方面通過線纜把各本地端的KVM 信號接到控制器，由控制器進(jìn)行信號的處理和轉(zhuǎn)換，最后提供網(wǎng)口供遠(yuǎn)端用戶使用。圖1中示意的是菊鏈?zhǔn)終VMoIP切換器，對于已有的模擬共享式KVM切換器，為保護(hù)投資，也可以外接IP接入模塊來進(jìn)行KVMoIP的功能擴(kuò)展，以節(jié)約成本。

內(nèi)置式KVMoIP 是將該功能直接集成在計(jì)算機(jī)主板上，由主板上的BMC 芯片（如ASPEED 公司的AST2050）來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，基板管理控制器（Base-board Management Controller,BMC），通過LPC 總線和PCIe總線接到Intel Xeon芯片組的橋片PCH上，BMC除了支持智能平臺管理接口（IPMI）規(guī)范實(shí)現(xiàn)硬件資源的監(jiān)控管理外，還提供KVMoIP的功能。

與傳統(tǒng)的模擬式KVM相比，KVM over IP具有不受距離限制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了任意時(shí)間、任意地點(diǎn)的管理訪問。另外，和一些流行的遠(yuǎn)程控制軟件PcAnywhere、Radmin 等相比，KVMoIP 有著更獨(dú)特的強(qiáng)大功能，如BIOS 級的存取，帶外管理不受限于設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，與被監(jiān)控設(shè)備的操作系統(tǒng)和硬件平臺無關(guān)。因此，KVMoIP具有良好的通用性和可擴(kuò)展性，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC、通信網(wǎng)絡(luò)操作中心NOC等環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，可以說KVMoIP已經(jīng)是當(dāng)今IT架構(gòu)中重要的組成部分之一，已成為計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程管理的必然趨勢。

圖1 中的KVMoIP 系統(tǒng)分為兩個(gè)部分：接入層的KVM控制器和管理層的遠(yuǎn)程客戶端?？蛻舳送ㄟ^Web方式接入控制器，充分利用IP 技術(shù)呈現(xiàn)豐富的控制功能，提供集中化管理策略以及安全管理，如接收服務(wù)器軟件發(fā)送的視頻壓縮數(shù)據(jù)，顯示解壓縮之后的視頻圖像；實(shí)現(xiàn)鍵盤、鼠標(biāo)編碼的發(fā)送并在目標(biāo)設(shè)備間快速切換，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩院蛯?shí)時(shí)性。本文重點(diǎn)在單路KVM控制器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。圖1中的KVM控制器大多采用Raritan公司的專用芯片KIRA100實(shí)現(xiàn)[3],專用性強(qiáng)且成本高，本方案采用TI達(dá)芬奇技術(shù)，作為一種低成本的通用性設(shè)計(jì)。

1.1 達(dá)芬奇技術(shù)簡介

達(dá)芬奇（DaVinci）技術(shù)是TI公司推出的嵌入式多媒體應(yīng)用方案，采用了高度集成的片上系統(tǒng)（SOC），為ARM+DSP的雙核架構(gòu)。ARM核是通用處理器架構(gòu)，利于任務(wù)調(diào)度，適合對外設(shè)的管理和控制；DSP核長于編解碼算法，適合于數(shù)字音視頻處理，兩相結(jié)合，這一特點(diǎn)使達(dá)芬奇技術(shù)特別適合用來開發(fā)智能多媒體系統(tǒng)。DaVinci技術(shù)還提供了底層驅(qū)動(dòng)、開發(fā)包（DVSDK）、標(biāo)準(zhǔn)庫以及豐富的應(yīng)用編程接口（API）等組件作為配套解決方案，可高效的開發(fā)數(shù)字多媒體產(chǎn)品，加速市場應(yīng)用。因而，DaVinci技術(shù)一經(jīng)推出就受到開發(fā)者的青睞，在視頻監(jiān)控、多媒體網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信等領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于達(dá)芬奇技術(shù)的KVMoIP 控制器的硬件框圖如圖3所示，分為主控模塊、KVM模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊三個(gè)部分。

1.2.1 主控模塊

主控模塊采用TMS320DM365,它是TI近年推出、面向高清視頻處理的DaVinci系列的一款處理器，內(nèi)部集成了ARM9 內(nèi)核，圖像處理子系統(tǒng)VPSS,H.264 高清編碼協(xié)處理引擎HDVICP 和MPEG-4/JPEG 協(xié)處理引擎MJCP.ARM9 負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，VPSS 不僅提供靈活的視頻輸入接口，如BT.601/BT.656/BT.1120 數(shù)字YCbCr（8/16 b）接口，用于支持多種類型的CCD/CMOS圖像傳感器，還支持RGB/YUV 數(shù)字信號輸出和PAL/NTSC制式的復(fù)合視頻信號輸出，用于連接多種類型的顯示設(shè)備。HDVICP和MJCP支持H.264、MPEG4、JPEG和WMV9/VC1等格式編解碼，能夠以30 f/s的速度對高清（720P）視頻進(jìn)行H.264 編解碼。芯片還提供豐富的外設(shè)接口，包括USB 2.0、SDIO、SPI、UART、I2C、EMAC和Voice Codec（如G.711/G.723、MP3、WMA）等。圖3 中，DM365 的外圍電路擴(kuò)展了程序存儲器NAND FLASH、DDR2 數(shù)據(jù)存儲器、USB 和EMAC 接口等。

1.2.2 KVM模塊

鍵盤、鼠標(biāo)的USB信號連接到DM365的USB接口，VGA信號由TVP7002接入處理。

TVP7002 是TI 的一款高清視頻解碼芯片，能為RGB/YPbPr的模擬視頻和圖像輸入提供A/D 轉(zhuǎn)換和解碼的完整解決方案。芯片內(nèi)含3路10 b A/D,處理速度高達(dá)165 MHz,支持各種分量輸入視頻標(biāo)準(zhǔn)，如480i/p,576i/p,720p,1 080i/p;支持最高UXGA（1 600×1 200）分辨率的PC 圖像信號輸入。輸出信號支持RGB 或者YCbCr顏色空間，支持RGB/YCbCr 4∶4∶4和YCbCr 4∶2∶2的輸出模式。芯片的工作模式由DM365通過I2C總線對其內(nèi)部寄存器編程實(shí)現(xiàn)。

VGA 輸入經(jīng)TVP7002 轉(zhuǎn)換為16 b 4∶2∶2 的YCbCr信號后可以直接送給DM365 的視頻處理前端，中間無須進(jìn)行任何數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

DM365 在EMAC 接口外接一片10/100M 以太網(wǎng)PHY芯片，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)變壓器進(jìn)行信號的隔離變換后，通過RJ45連接到網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)KVM數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TI達(dá)芬奇技術(shù)的軟件框架分為ARM端的應(yīng)用層、I/O層以及DSP端的信號處理層三個(gè)部分，如圖4所示。

I/O層以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MontaVista Linux來支持其對外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，如I2C、USB接口、以太網(wǎng)接口等；信號處理層SPL 包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS、音視頻編解碼算法、Codec Engine;應(yīng)用層APL 主要負(fù)責(zé)多線程的管理，并通過Codec Engine 的VISA API（Video/Im-age/Speech/Audio）調(diào)用DSP 側(cè)的算法，通過EPSI API（Easy Peripheral Software Interface）訪問和操作Davinci的外設(shè)，用以支持高級應(yīng)用的開發(fā)。

基于該系統(tǒng)框架，TI及第三方提供了豐富的系統(tǒng)程序接口SPI、應(yīng)用程序接口API以及多媒體算法組件，它們與操作系統(tǒng)、中間件一起構(gòu)成了一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的大部分內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)者只需在系統(tǒng)的用戶空間上添加特定的功能和發(fā)揮自己的特色，加以封裝后即可快速推出代碼可移植的高可用性產(chǎn)品。

對于采用DM365的KVMoIP控制器來說，內(nèi)嵌Java處理能力的ARM926用作Web Server,遠(yuǎn)程客戶端通過Web 頁面訪問控制器的Web 服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)KVMoIP 功能?？刂破鞯挠脩艨臻g軟件系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)控制模塊、編解碼模塊和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊三個(gè)部分。

1.3.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)初始化、協(xié)調(diào)各模塊的運(yùn)行以及進(jìn)程管理，并通過消息隊(duì)列和共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信。

1.3.2 編解碼壓縮模塊

該模塊是整個(gè)KVMoIP 系統(tǒng)的關(guān)鍵。該模塊的功能是調(diào)用TVP7002 驅(qū)動(dòng)獲取video 數(shù)據(jù)，并調(diào)用CodecEngine 對video 數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)格式的編碼壓縮，交給網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，通過網(wǎng)絡(luò)送到客戶端解碼顯示。

視頻數(shù)據(jù)的帶寬高，尤其是1 600×1 200分辨率的UXGA視頻數(shù)據(jù)，在16 bpp@60 Hz下更是高達(dá)近2 Gb/s的信號傳輸帶寬。對于這么高帶寬的視頻數(shù)據(jù)，只有經(jīng)過特定的處理后才能在目前的百兆網(wǎng)絡(luò)上實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇蛻舳瞬⑶逦@示圖文信息。為了減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，一方面DSP核要采用適合的壓縮算法，并提高實(shí)時(shí)性；再者，結(jié)合KVMoIP 遠(yuǎn)程控制的特性，編碼壓縮模塊對幀間video數(shù)據(jù)的差異進(jìn)行比對，只對變化幀的video數(shù)據(jù)才調(diào)用Codec Engine進(jìn)行編碼壓縮，最后交給網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊送到遠(yuǎn)端。

本模塊幀間比對及壓縮算法的優(yōu)劣直接決定了客戶端視頻還原的質(zhì)量。

1.3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

該模塊主要由TCP/IP協(xié)議棧構(gòu)成。在DM365上建立HTTP的Web服務(wù)器，為了保證KVM數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)陌踩?，模塊還內(nèi)置了認(rèn)證授權(quán)機(jī)制，以及128位AES加密算法。Web服務(wù)器對編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行AES加密，通過TCP/IP,調(diào)用網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序發(fā)給客戶端。

客戶端運(yùn)行Web 瀏覽器，經(jīng)認(rèn)證后登錄KVMoIP控制器即DM365 的Web 服務(wù)端，接收發(fā)來的加密視頻報(bào)文，經(jīng)解密及解碼后顯示受控服務(wù)器的視頻圖像，管理員輸入、點(diǎn)擊的鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)形成加密報(bào)文，發(fā)給服務(wù)端。

服務(wù)端收到客戶端的鍵盤鼠標(biāo)報(bào)文后，經(jīng)解密還原為鍵盤鼠標(biāo)數(shù)據(jù)，調(diào)用USB驅(qū)動(dòng)傳給受控服務(wù)器，響應(yīng)客戶端的操作。

2 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于TMS320DM365的KVMoIP控制器，支持多種視頻格式，包括VGA,SVGA,XGA,SXGA等，最高分辨率可達(dá)UXGA（1 600×1 200@16 bpp,60 Hz）。視頻處理與壓縮算法能夠有效利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，且實(shí)時(shí)性好，客戶端操作的響應(yīng)速度快。同時(shí)，鑒權(quán)機(jī)制和數(shù)據(jù)加密能夠保證KVM數(shù)據(jù)在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)陌踩浴?/P>

本文基于TMS320DM365 的KVMoIP 控制器，其性能參數(shù)及基本功能與目前商用KVM over IP Switch 相當(dāng)，軟件功能還可以進(jìn)一步擴(kuò)充。相對于商用設(shè)備的專用芯片來說，這是一個(gè)通用的、低成本的方案。（作者：馬千里，張弓）