基于TI達芬奇技術的KVM over IP設計

摘 要： KVM over IP是通過IP網(wǎng)絡傳輸鍵盤Keyboard、顯示器Video、鼠標Mouse信號的簡稱，系統(tǒng)由接入側的控制器和遠程的客戶端構成。目前，控制器的技術實現(xiàn)主要依賴于專用芯片。以TI的達芬奇技術為基礎，結合視頻解碼芯片，研究了一種通用的、低成本的KVM over IP控制器的軟硬件設計。

關鍵詞： KVM over IP； 達芬奇技術； TMS320DM365； TVP7002； 編碼； 解碼； 壓縮

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）23?0118?03

Design of KVM over IP based on TI Davinci technology

MA Qian?li1， ZHANG Gong2

（1. Zhongxing Telecom Equipment Corporation， Nanjing 210012， China； 2. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： KVM over IP is the abbreviation of transmission keyboard， video， mouse signals over IP network. The system is constituted by access controller and remote client. In current， the technical implementation of controller is mainly dependent on the dedicated IC. A hardware and software of a universal， low cost KVM over IP controller is researched based on Texas Instruments′ Davinci technology and video decoder chip.

Keywords： KVM over IP； Davinci technology； TMS320DM365； TVP7002； code； decode； compress

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(xiàn)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(shù)字KVM。它是從本地計算機上采集視頻信號，經(jīng)過模數(shù)轉換成為數(shù)字信息，壓縮成IP包后，通過互聯(lián)網(wǎng)或專用網(wǎng)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(xiàn)；管理人員據(jù)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(jīng)過網(wǎng)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(xiàn)了遠程控制。

1 基于TI達芬奇技術的KVMoIP設計

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，由控制器進行信號的處理和轉換，最后提供網(wǎng)口供遠端用戶使用[1]。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。

圖1 KVMoIP組網(wǎng)圖

內(nèi)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(xiàn)。如圖2所示，基板管理控制器（Baseboard 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(xiàn)硬件資源的監(jiān)控管理外，還提供KVMoIP的功能[2]。

圖2 內(nèi)置式KVMoIP框圖

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(xiàn)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(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心IDC、通信網(wǎng)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(jīng)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(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；實現(xiàn)鍵盤、鼠標編碼的發(fā)送并在目標設備間快速切換，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)陌踩院蛯崟r性。本文重點在單路KVM控制器的技術實現(xiàn)。圖1中的KVM控制器大多采用Raritan公司的專用芯片KIRA100實現(xiàn)[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(diào)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(shù)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(shù)字多媒體產(chǎn)品，加速市場應用。因而，DaVinci技術一經(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(wǎng)絡傳輸模塊三個部分。

圖3 KVMoIP控制器硬件框圖

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(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[4]。

圖3中，DM365的外圍電路擴展了程序存儲器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(nèi)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[5]。芯片的工作模式由DM365通過I2C總線對其內(nèi)部寄存器編程實現(xiàn)。

VGA輸入經(jīng)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(shù)據(jù)格式的轉換。

1.2.3 網(wǎng)絡傳輸模塊

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

圖4 達芬奇技術軟件框架

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(wǎng)接口等[6]；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/Image/Speech/Audio）調(diào)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(nèi)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(chǎn)品[7]。

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，遠程客戶端通過Web頁面訪問控制器的Web服務端，實現(xiàn)KVMoIP功能。控制器的用戶空間軟件系統(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(shù)設置、系統(tǒng)初始化、協(xié)調(diào)各模塊的運行以及進程管理，并通過消息隊列和共享內(nèi)存實現(xiàn)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(diào)用TVP7002驅動獲取video數(shù)據(jù)，并調(diào)用Codec Engine對video數(shù)據(jù)進行相應格式的編碼壓縮，交給網(wǎng)絡傳輸模塊，通過網(wǎng)絡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)絡上實時傳輸?shù)娇蛻舳瞬⑶逦@示圖文信息。為了減少網(wǎng)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(shù)據(jù)的差異進行比對，只對變化幀的video數(shù)據(jù)才調(diào)用Codec Engine進行編碼壓縮，最后交給網(wǎng)絡傳輸模塊送到遠端[1，3，8]。

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(wǎng)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(shù)據(jù)在網(wǎng)絡上傳輸?shù)陌踩裕K還內(nèi)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(shù)據(jù)進行AES加密，通過TCP/IP，調(diào)用網(wǎng)口驅動程序發(fā)給客戶端。

客戶端運行Web瀏覽器，經(jīng)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(jīng)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(shù)據(jù)形成加密報文，發(fā)給服務端[1]。

服務端收到客戶端的鍵盤鼠標報文后，經(jīng)解密還原為鍵盤鼠標數(shù)據(jù)，調(diào)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(wǎng)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(shù)據(jù)加密能夠保證KVM數(shù)據(jù)在TCP/IP網(wǎng)絡上傳輸?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，軟件功能還可以進一步擴充。相對于商用設備的專用芯片來說，這是一個通用的、低成本的方案。

參考文獻

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作者簡介：馬千里 男，1966年出生，江蘇人，高級工程師。主要研究方向為通信網(wǎng)絡產(chǎn)品。

張 弓 男，1964年出生，安徽人，博士，教授。主要研究方向為圖像分析與處理等。