摘要：為了解決多計算機外設共存的問題，通過對多計算機外設兼容設計的研究，文章提出一種基于單片機的外設共享控制器的設計的方法。該方法包含基于單片機的外設共享控制器的主要設計思路和實現方法，硬件設計采用單片機與繼電器，軟件采用Keil C開發。目前該方法已經投入應用，通過應用表明該設計方法方便可靠。
關鍵詞：單片機；外設共享；控制；計算機

0 引言
    隨著電子設備技術不斷發展和產品功能不斷增加，一般情況下，產品功能通常需要多個計算機配合實現。另一方面，在產品設計過程中，為了提高產品的可靠性，計算機備份技術作為提高產品可靠性重要手段之一也越來越多被采用。在這種情況下，為了降低產品的復雜度，合理使用有限的空間，在具體產品設計時，往往只有單套計算機外設配給多套主機使用。此時，需要解決多個主機之間的顯示器、鍵盤和鼠標的動態切換問題。
    而這一問題可以通過外設共享來解決，使用外設共享控制器，可實現雙主機或者多主機之間顯示器、鍵盤和鼠標的動態切換，從而實現有限資源的合理利用。

1 設計原理
1．1 外設共享控制器的功能介紹
    按下外設共享控制器的主機1按鍵，外設顯示器和鍵盤、鼠標連接到主機1，同時主機1按鍵指示燈亮；按下主機2按鍵，外設顯示器和鍵盤、鼠標連接到主機2，同時主機2按鍵指示燈亮。外設共享控制器具有自動掃描功能，能夠監測計算機的運行。主機1先啟動，則外設顯示器和鍵盤、鼠標連接到主機1，同時主機1按鍵指示燈亮；主機2先啟動，則外設顯示器和鍵盤、鼠標連接到主機2，同時主機2按鍵指示燈亮。另外，也可通過鍵盤上設定的熱鍵(連續按兩次Ctrl鍵)來控制鍵盤、鼠標、顯示器信號的切換。
1．2 PS／2、VGA接口介紹
    外設共享控制器涉及的外設是鍵盤、鼠標和顯示器，接口類型分別是PS／2口、PS／2口和VGA口。PS／2鍵盤和鼠標履行一種雙向步串行協議。也就是說，每次數據線上發送一位數據并且每在時鐘線上發一個脈沖就被讀入。鍵盤／鼠標可以發送數據到主機，而主機也可以發送數據到設備，但主機總是在總線上有優先權，它可以在任何時候抑制來自于鍵盤／鼠標的通訊，只要把時鐘拉低即可。從鍵盤／鼠標發送到主機的數據在時鐘的下降沿(CLK由高到低的時候)被讀取；從主機發送到鍵盤／鼠標的數據在上升沿(當時鐘從低變到高的時候)被讀取。不管通訊的方向怎樣，鍵盤／鼠標總是產生時鐘信號。一個PS／2設備的工作頻率推薦值為15kHz左右，這意味著時鐘應該是高40μs低40μs。所有的數據位安排在一個字節中，每個字節為一幀，包含11～12個位。這些位為1個起始位0、8個數據位、1個校驗位、1個停止位和1個應答位。常用的六芯插座布局及其定義見圖1。

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

1．3 外設共享控制器的設計原理
    外設共享控制器的原理見圖3，設計采用ATMEL公司的AT89S8252單片機，它擁有8k flash存儲區、256×8位RAM。AT89S8252自帶EEPRO-M，且其P0、P1、P2、P3均可作為I／O口使用。在本設計中，鍵盤鼠標等PS／2口的切換主要是通過雙刀雙擲繼電器實現，顯示的R、G、B信號主要通過AD8183芯片完成信號切換，H、V信號通過54LS157芯片完成信號切換。為保證顯示信號切換的一致性，通過一個雙刀雙擲繼電器對AD8183和54LS157進行統一控制。本文為兩臺計算機設計一套鍵盤鼠標共享電路，計算機數量多時，情形類似。

2 設計買現
    外設共享控制器需要解決計算機啟動對外設(PS／2、VGA)初始化，并在計算機啟動完成后，控制信號的動態切換。共分為硬件設計和軟件設計。
2．1 硬件設計
    單片機U1的P1口接鍵盤K0、鼠標M0的時鐘、數據線；P0口接計算機的鍵盤鼠標信號線，即：PCI的時鐘線kbclk1、mselk1，數據線kbda-ta1、msdata1，PC2的時鐘線kbclk2、msclk2，數據線kbdata2，msdata2；P2口用來控制計算機間的切換。
    計算機啟動時，P0口的時鐘、數據線被拉高和拉低，單片機檢測這些狀態，并根據PS／2協議讀出這些發來的命令。然后把這些命令直接發送給鍵盤K0。K0應答計算機的命令，單片機把這些應答數據轉發給計算機。對于后臺計算機，單片機直接回應這些計算機發來的命令。鼠標和計算機間的聯系和鍵盤相同。
    習慣上，指定其中一臺計算機設為前臺計算機，單片機轉發這臺計算機的命令、數據給鍵盤。當這臺計算機沒有接入時，單片機自動指定另一臺為前臺計算機。
    單片機的P2口外接一瞬態開關，當開關按下時，單片機接受一個脈沖，于是就把當前的前臺計算機和后臺計算機進行互換。并放置指示燈指示對應計算機的狀態。
    顯示信號分R、G、B信號，H、V信號。前三個信號為模擬信號，用AD8183芯片控制，在這個片子的輸入輸出端要力175Ω的匹配電阻，并且這個片子需要5V電源供電。輸出選擇端在U2的223腳SEL，當SEL端接地時，A路輸出，否則B路輸出。H、V信號由54LS157控制，這是四組2選1的數據選擇器，它的選擇端在1腳，1腳拉高B路輸出，1腳拉低A路輸出。這兩個片子的選擇端接到一個雙刀雙擲繼電器，對AD8183和154LS15 7進行統一控制。
2．2 軟件設計
    計算機啟動時，運行BIOS，檢測主板和各種外部硬件設備，識別其設備類型，并對它們進行初始化。當檢測鍵盤時，如果掃描不到，且計算機在BIOS中設置PostBehavior->keyboard Errors->Report，計算機就會停止初始化，顯示出錯信息；否則，認為鍵盤不存在，跳過該設
備，計算機初始化結束后該設備不能用。當多臺計算機與一個鍵盤相連時，必須給沒有與鍵盤物理連接的計算機建立虛擬的鍵盤。這個虛擬外設能夠完成與計算機的數據交換，幫助計算機順利通過BIOS檢測。同樣，對于鼠標，也必須建立虛擬鼠標使計算機通過BIOS檢測。虛擬鍵盤和虛擬鼠標這些虛擬外設，在計算機給出命令時，應答命令，使計算機確信該外設存在。
    BIOS檢測完成后，計算機進入系統初始化過程。在這個過程中，操作系統要對外部設備的具體參數進行設置。鍵盤要設置機打速率／延遲(typematic rate／delay)；鼠標要設置采樣率(sample rate)，讀取設備類型(不同類型的鼠標有不同的ID)，設置分辨率(resolution，設置為每mm多少個計數點counts／mm)，比例(scaling)，設置數據報告禁止／允許。同樣，對于計算機必須建立虛擬外設，使系統確認外設存在，以通過初始化。
    當上述過程完成后，系統就順利通過了初始化。顯示器顯示一臺計算機的畫面，該畫面對應的計算機稱為前臺計算機，不被顯示畫面的計算機為后臺計算機。按下共享控制器上的切換按鈕，外設選擇一后臺計算機，把其置前成為前臺計算機，此時，顯示器顯示該計算機的畫面，鍵盤鼠標響應該計算機。原先的前臺計算機變為后臺工作。
    啟動過程的程序流程圖見圖4。

    本文用Keil C開發，它提供了豐富的數據類型，極大地增強了程序處理能力和靈活性，它能夠自動實現中斷服務程序的現場保護和恢復，目標程序效率高、可移植性好，是一種高級語言，可讀性強，維護使用方便靈活。軟件由主程序和中斷服務子程序組成。主程序完成系統的初始化和計算機命令的響應、鍵盤鼠標數據的發送。中斷程序主要包括鍵盤熱鍵切換、外部按鍵切換。軟件功能模塊結構清晰可讀。程序流程圖見圖4和圖5。

     系統上電，外設共享控制器上電并開始對AT89S8252初始化。包括對變量、串口、定時器、中斷控制、看門狗進行初始化操作。在這個過程中還需要對外部的計算機的PS／2外設進行初始化應答。并且自動掃描啟動計算機，PS／2、VGA外設連接啟動計算機，并顯示啟動計算機的畫面。
    當完成BIOS檢測和操作系統檢測應答后，單片機進入主程序，執行正常鍵盤鼠標的操作功能。讀取P1．1上鍵盤給主機的數據看是否有“切換前／后臺計算機”的熱鍵按下，如果是，將切換；否則，連接當前計算機。

3 設計小結
    本論文完成了主機1和主機2的鍵盤、鼠標、顯示器幾種外設的共享，解決了PS／2口、VGA接口共享時遇到的問題。實物經過篩選試驗、環境適應性試驗、電磁兼容試驗，性能良好，安全可靠。