一種通用、低成本的KVM over IP控制器的設計方案

0 引言

KVM是Keyboard(鍵盤)、Video(顯示器)、Mouse(鼠標)的縮寫，常特指KVM Switch(控制器)，即多臺計算機的標準I/O口連接到一臺KVM Switch上，通過切換開關，共享Switch上連接的一套鍵盤、顯示器和鼠標，以簡化資源配置和操作，實現一對多的控制，在計算機房的管理和維護中得到了大量的應用。但由于是電纜連接，使用距離受限，影響了這種模擬KVM 的控制范圍和擴展性。

KVM over IP,通常又簡寫為KVMoIP,也稱為數字KVM.它是從本地計算機上采集視頻信號，經過模數轉換成為數字信息，壓縮成IP包后，通過互聯網或專用網絡進行傳送，遠程控制臺收到IP 包后，將其解包、轉換，在控制臺的屏幕上呈現;管理人員據此操作控制臺的鍵盤、鼠標，發(fā)出的一系列控制命令由控制臺組合成IP包，經過網絡再回送到本地側，解包后還原為鍵盤鼠標信號，從而讓本地計算機執(zhí)行相應的動作，實現了遠程控制。

1 基于TI 達芬奇技術的KVMoIP 設計

KVMoIP的產品形態(tài)主要有外置式和內置式兩種。

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

內置式KVMoIP 是將該功能直接集成在計算機主板上，由主板上的BMC 芯片(如ASPEED 公司的AST2050)來實現。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)范實現硬件資源的監(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，實現了任意時間、任意地點的管理訪問。另外，和一些流行的遠程控制軟件PcAnywhere、Radmin 等相比，KVMoIP 有著更獨特的強大功能，如BIOS 級的存取，帶外管理不受限于設備的運行狀態(tài)，與被監(jiān)控設備的操作系統(tǒng)和硬件平臺無關。因此，KVMoIP具有良好的通用性和可擴展性，在互聯網數據中心IDC、通信網絡操作中心NOC等環(huán)境領域得到了廣泛應用，可以說KVMoIP已經是當今IT架構中重要的組成部分之一，已成為計算機遠程管理的必然趨勢。

圖1 中的KVMoIP 系統(tǒng)分為兩個部分：接入層的KVM控制器和管理層的遠程客戶端。客戶端通過Web方式接入控制器，充分利用IP 技術呈現豐富的控制功能，提供集中化管理策略以及安全管理，如接收服務器軟件發(fā)送的視頻壓縮數據，顯示解壓縮之后的視頻圖像;實現鍵盤、鼠標編碼的發(fā)送并在目標設備間快速切換，保證網絡傳輸的安全性和實時性。本文重點在單路KVM控制器的技術實現。圖1中的KVM控制器大多采用Raritan公司的專用芯片KIRA100實現[3],專用性強且成本高，本方案采用TI達芬奇技術，作為一種低成本的通用性設計。

1.1 達芬奇技術簡介

達芬奇(DaVinci)技術是TI公司推出的嵌入式多媒體應用方案，采用了高度集成的片上系統(tǒng)(SOC)，為ARM+DSP的雙核架構。ARM核是通用處理器架構，利于任務調度，適合對外設的管理和控制;DSP核長于編解碼算法，適合于數字音視頻處理，兩相結合，這一特點使達芬奇技術特別適合用來開發(fā)智能多媒體系統(tǒng)。DaVinci技術還提供了底層驅動、開發(fā)包(DVSDK)、標準庫以及豐富的應用編程接口(API)等組件作為配套解決方案，可高效的開發(fā)數字多媒體產品，加速市場應用。因而，DaVinci技術一經推出就受到開發(fā)者的青睞，在視頻監(jiān)控、多媒體網絡和移動通信等領域得到了越來越多的應用。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

基于達芬奇技術的KVMoIP 控制器的硬件框圖如圖3所示，分為主控模塊、KVM模塊、網絡傳輸模塊三個部分。

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，內部集成了ARM9 內核，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 負責整個系統(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 數字信號輸出和PAL/NTSC制式的復合視頻信號輸出，用于連接多種類型的顯示設備。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)視頻進行H.264 編解碼。芯片還提供豐富的外設接口，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 的外圍電路擴展了程序存儲器NAND FLASH、DDR2 數據存儲器、USB 和EMAC 接口等。

1.2.2 KVM模塊

鍵盤、鼠標的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 轉換和解碼的完整解決方案。芯片內含3路10 b A/D,處理速度高達165 MHz,支持各種分量輸入視頻標準，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總線對其內部寄存器編程實現。

VGA 輸入經TVP7002 轉換為16 b 4∶2∶2 的YCbCr信號后可以直接送給DM365 的視頻處理前端，中間無須進行任何數據格式的轉換。

1.2.3 網絡傳輸模塊

DM365 在EMAC 接口外接一片10/100M 以太網PHY芯片，經網絡變壓器進行信號的隔離變換后，通過RJ45連接到網絡，實現KVM數據的以太網傳輸。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

TI達芬奇技術的軟件框架分為ARM端的應用層、I/O層以及DSP端的信號處理層三個部分，如圖4所示。

I/O層以嵌入式實時操作系統(tǒng)MontaVista Linux來支持其對外設的驅動，如I2C、USB接口、以太網接口等;信號處理層SPL 包括實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS、音視頻編解碼算法、Codec Engine;應用層APL 主要負責多線程的管理，并通過Codec Engine 的VISA API(Video/Im-age/Speech/Audio)調用DSP 側的算法，通過EPSI API(Easy Peripheral Software Interface)訪問和操作Davinci的外設，用以支持高級應用的開發(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)、中間件一起構成了一個應用系統(tǒng)的大部分內容。在此基礎上，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品。

對于采用DM365的KVMoIP控制器來說，內嵌Java處理能力的ARM926用作Web Server,遠程客戶端通過Web 頁面訪問控制器的Web 服務端，實現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、編解碼模塊和網絡傳輸模塊三個部分。

1.3.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊主要負責參數設置、系統(tǒng)初始化、協(xié)調各模塊的運行以及進程管理，并通過消息隊列和共享內存實現進程間的通信。

1.3.2 編解碼壓縮模塊

該模塊是整個KVMoIP 系統(tǒng)的關鍵。該模塊的功能是調用TVP7002 驅動獲取video 數據，并調用CodecEngine 對video 數據進行相應格式的編碼壓縮，交給網絡傳輸模塊，通過網絡送到客戶端解碼顯示。

視頻數據的帶寬高，尤其是1 600×1 200分辨率的UXGA視頻數據，在16 bpp@60 Hz下更是高達近2 Gb/s的信號傳輸帶寬。對于這么高帶寬的視頻數據，只有經過特定的處理后才能在目前的百兆網絡上實時傳輸到客戶端并清晰顯示圖文信息。為了減少網絡帶寬占用，一方面DSP核要采用適合的壓縮算法，并提高實時性;再者，結合KVMoIP 遠程控制的特性，編碼壓縮模塊對幀間video數據的差異進行比對，只對變化幀的video數據才調用Codec Engine進行編碼壓縮，最后交給網絡傳輸模塊送到遠端。

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量。

1.3.3 網絡傳輸模塊

該模塊主要由TCP/IP協(xié)議棧構成。在DM365上建立HTTP的Web服務器，為了保證KVM數據在網絡上傳輸的安全性，模塊還內置了認證授權機制，以及128位AES加密算法。Web服務器對編碼壓縮后的視頻數據進行AES加密，通過TCP/IP,調用網口驅動程序發(fā)給客戶端。

客戶端運行Web 瀏覽器，經認證后登錄KVMoIP控制器即DM365 的Web 服務端，接收發(fā)來的加密視頻報文，經解密及解碼后顯示受控服務器的視頻圖像，管理員輸入、點擊的鍵盤鼠標數據形成加密報文，發(fā)給服務端。

服務端收到客戶端的鍵盤鼠標報文后，經解密還原為鍵盤鼠標數據，調用USB驅動傳給受控服務器，響應客戶端的操作。

2 結語

本文設計的基于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絡帶寬，且實時性好，客戶端操作的響應速度快。同時，鑒權機制和數據加密能夠保證KVM數據在TCP/IP網絡上傳輸的安全性。

本文基于TMS320DM365 的KVMoIP 控制器，其性能參數及基本功能與目前