基于单片机的共享控制器的设计与实现‎

    而这一问题可以通过外设共享来解决，使用外设共享控制器，可实现双主机或者多主机之间显示器、键盘和鼠标的动态切换，从而实现有限资源的合理利用。

1 设计原理

1．1 外设共享控制器的功能介绍

    按下外设共享控制器的主机1按键，外设显示器和键盘、鼠标连接到主机1，同时主机1按键指示灯亮；按下主机2按键，外设显示器和键盘、鼠标连接到主机2，同时主机2按键指示灯亮。外设共享控制器具有自动扫描功能，能够监测计算机的运行。主机1先启动，则外设显示器和键盘、鼠标连接到主机1，同时主机1按键指示灯亮；主机2先启动，则外设显示器和键盘、鼠标连接到主机2，同时主机2按键指示灯亮。另外，也可通过键盘上设定的热键(连续按两次Ctrl键)来控制键盘、鼠标、显示器信号的切换。

1．2 PS／2、VGA接口介绍

    外设共享控制器涉及的外设是键盘、鼠标和显示器，接口类型分别是PS／2口、PS／2口和VGA口。PS／2键盘和鼠标履行一种双向步串行协议。也就是说，每次数据线上发送一位数据并且每在时钟线上发一个脉冲就被读入。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，只要把时钟拉低即可。从键盘／鼠标发送到主机的数据在时钟的下降沿(CLK由高到低的时候)被读取；从主机发送到键盘／鼠标的数据在上升沿(当时钟从低变到高的时候)被读取。不管通讯的方向怎样，键盘／鼠标总是产生时钟信号。一个PS／2设备的工作频率推荐值为15kHz左右，这意味着时钟应该是高40μs低40μs。所有的数据位安排在一个字节中，每个字节为一帧，包含11～12个位。这些位为1个起始位0、8个数据位、1个校验位、1个停止位和1个应答位。常用的六芯插座布局及其定义见图1。

  VGA接口是一种COMS／TTL接口，15芯插座布局及其定义见图2和表1。VGA信号本身不需要初始化，可直接进行切换。

1．3 外设共享控制器的设计原理

    外设共享控制器的原理见图3，设计采用ATMEL公司的AT89S8252单片机，它拥有8k flash存储区、256×8位RAM。AT89S8252自带EEPRO-M，且其P0、P1、P2、P3均可作为I／O口使用。在本设计中，键盘鼠标等PS／2口的切换主要是通过双刀双掷继电器实现，显示的R、G、B信号主要通过AD8183芯片完成信号切换，H、V信号通过54LS157芯片完成信号切换。为保证显示信号切换的一致性，通过一个双刀双掷继电器对AD8183和54LS157进行统一控制。本文为两台计算机设计一套键盘鼠标共享电路，计算机数量多时，情形类似。

2 设计买现

    外设共享控制器需要解决计算机启动对外设(PS／2、VGA)初始化，并在计算机启动完成后，控制信号的动态切换。共分为硬件设计和软件设计。[page]

2．1 硬件设计

    单片机U1的P1口接键盘K0、鼠标M0的时钟、数据线；P0口接计算机的键盘鼠标信号线，即：PCI的时钟线kbclk1、mselk1，数据线kbda-ta1、msdata1，PC2的时钟线kbclk2、msclk2，数据线kbdata2，msdata2；P2口用来控制计算机间的切换。

    计算机启动时，P0口的时钟、数据线被拉高和拉低，单片机检测这些状态，并根据PS／2协议读出这些发来的命令。然后把这些命令直接发送给键盘K0。K0应答计算机的命令，单片机把这些应答数据转发给计算机。对于后台计算机，单片机直接回应这些计算机发来的命令。鼠标和计算机间的联系和键盘相同。

    习惯上，指定其中一台计算机设为前台计算机，单片机转发这台计算机的命令、数据给键盘。当这台计算机没有接入时，单片机自动指定另一台为前台计算机。

    单片机的P2口外接一瞬态开关，当开关按下时，单片机接受一个脉冲，于是就把当前的前台计算机和后台计算机进行互换。并放置指示灯指示对应计算机的状态。

    显示信号分R、G、B信号，H、V信号。前三个信号为模拟信号，用AD8183芯片控制，在这个片子的输入输出端要力175Ω的匹配电阻，并且这个片子需要5V电源供电。输出选择端在U2的223脚SEL，当SEL端接地时，A路输出，否则B路输出。H、V信号由54LS157控制，这是四组2选1的数据选择器，它的选择端在1脚，1脚拉高B路输出，1脚拉低A路输出。这两个片子的选择端接到一个双刀双掷继电器，对AD8183和154LS15 7进行统一控制。

2．2 软件设计

    计算机启动时，运行BIOS，检测主板和各种外部硬件设备，识别其设备类型，并对它们进行初始化。当检测键盘时，如果扫描不到，且计算机在BIOS中设置PostBehavior->keyboard Errors->Report，计算机就会停止初始化，显示出错信息；否则，认为键盘不存在，跳过该设备，计算机初始化结束后该设备不能用。当多台计算机与一个键盘相连时，必须给没有与键盘物理连接的计算机建立虚拟的键盘。这个虚拟外设能够完成与计算机的数据交换，帮助计算机顺利通过BIOS检测。同样，对于鼠标，也必须建立虚拟鼠标使计算机通过BIOS检测。虚拟键盘和虚拟鼠标这些虚拟外设，在计算机给出命令时，应答命令，使计算机确信该外设存在。

    BIOS检测完成后，计算机进入系统初始化过程。在这个过程中，操作系统要对外部设备的具体参数进行设置。键盘要设置机打速率／延迟(typematic rate／delay)；鼠标要设置采样率(sample rate)，读取设备类型(不同类型的鼠标有不同的ID)，设置分辨率(resolution，设置为每mm多少个计数点counts／mm)，比例(scaling)，设置数据报告禁止／允许。同样，对于计算机必须建立虚拟外设，使系统确认外设存在，以通过初始化。

    当上述过程完成后，系统就顺利通过了初始化。显示器显示一台计算机的画面，该画面对应的计算机称为前台计算机，不被显示画面的计算机为后台计算机。按下共享控制器上的切换按钮，外设选择一后台计算机，把其置前成为前台计算机，此时，显示器显示该计算机的画面，键盘鼠标响应该计算机。原先的前台计算机变为后台工作。

    启动过程的程序流程图见图4。

    本文用Keil C开发，它提供了丰富的数据类型，极大地增强了程序处理能力和灵活性，它能够自动实现中断服务程序的现场保护和恢复，目标程序效率高、可移植性好，是一种高级语言，可读性强，维护使用方便灵活。软件由主程序和中断服务子程序组成。主程序完成系统的初始化和计算机命令的响应、键盘鼠标数据的发送。中断程序主要包括键盘热键切换、外部按键切换。软件功能模块结构清晰可读。程序流程图见图4和图5。

     系统上电，外设共享控制器上电并开始对AT89S8252初始化。包括对变量、串口、定时器、中断控制、看门狗进行初始化操作。在这个过程中还需要对外部的计算机的PS／2外设进行初始化应答。并且自动扫描启动计算机，PS／2、VGA外设连接启动计算机，并显示启动计算机的画面。

    当完成BIOS检测和操作系统检测应答后，单片机进入主程序，执行正常键盘鼠标的操作功能。读取P1．1上键盘给主机的数据看是否有“切换前／后台计算机”的热键按下，如果是，将切换；否则，连接当前计算机。

3 设计小结

    本论文完成了主机1和主机2的键盘、鼠标、显示器几种外设的共享，解决了PS／2口、VGA接口共享时遇到的问题。实物经过筛选试验、环境适应性试验、电磁兼容试验，性能良好，安全可靠。