（计算机应用技术专业论文）服务器群的电源控制及远程kvm共享的实现.pdf

摘要 目前计算机技术和网络技术飞速发展，大量的服务器集群的出现要求提供一 种高效、安全和方便的服务器集群管理设备。应这一需求我们设计开发了服务器 集群的标准外设共享系统( k v m ) 用一套外设( 键盘、鼠标、显示器) 操作 多台服务器，该系统可以为用户提供一个良好的控制台，提高工作人员的工作效 率，并为用户节省大量的空j 1 日j 和外设成本。， 本文针对k v m 现有产品的不足和用户的要求，首先提出了远程控制和服务器 远程复位思想，然后描述了i 2c 总线的特性，并根据e d , 线的特征，结合系统通信 的特。h - ，给h ；了一种模拟的1 2 c 通信协议。对于远程控制模块，作者提出并实现 了种利川舣丹多频( d t m f ) 解码进行远程控制的技术和计算机屏幕图像j i i 缩的 弹i 、。最后给川了利用d t m f 进行远程电源控制的方案。 天键渊：、i 屯d t m fk v m 远程控制 图像压缩碍殴荔嚣 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di n t e r n e tt e c h n o l o g y , s om a n yi n d u s t r y c o m eo u tt h ed e m a n dt oe s t a b l i s has e c u r ea n dr e l i a b l es e r v e r sm a n a g e m e n t i no r d e rt o m e e tt h i sd e m a n d ，w ed e s i g nt h es y s t e mo fs e r v e r ss h a r e dt h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t a n di ti su s eas u i to f p e r i p h e r a le q u i p m e n tt oo p e r a t em a n ys e r v e r s t h i se q u i p m e n ti s a ne x c e l l e n tc o d s 0 1 i tc a na d v a n c et h ee f f i c i e n c yo fe m p l o y e e t h eu s e rc a ns a v ea1 0 t o fr o o m sa n dc a p i t a lf o rn ou s i n gt h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t f i r s t l yt h ea u t h o rr e s e a r c ht h e 1 2cp r o t o c o ld u r i n gt h e p r o c e s so fd e s i g n ，t h e n d e s i g n e dt h eh a r d w a r es y s t e mb a s e do nt h eu s e r sr e q u i r e m e n t ，a n dd e f i n e dan e w p r o t o c o lw h i c hb a s e do n1 2cp r o t o c o la n db ef i tf o rt h i ss y s t e m d u r i n gt h ed e s i g no f r e m o t ec o n t r o lm o d e l t h ea u t h o rp u tf o r w a r dn e wt h o u g h ti nr e m o t ec o n t r o lu s i n g d t m f t e c h n o l o g y a l s ot h ea u t h o rp u tf o r w a r d an e wa r i t h m e t i co f g r a p h i cc o m p r s s k e y w o r d ：k v m 1 2cd t m fr e m o t ec o n t r o l g r a p h i cc o m p r e s s 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍k v m 产品的概念，然后介绍k v m 产品的系统构成及发展状况。 通过市场调查和用户对k v m 产品的使用意见，作者对k v m 产品提出了一些改进， 以此作为作者研究的内容。最后介绍论文中的章节安排。 1 1k v m 产品简介 随着网络事业的飞速发展，大量的服务器被应用到国民经济的各个领域中去 了。电子商务运营商、i s p 、a s p 以及i d c 装备了大量的服务器，他们将这些服务 器集i 一在机房罩面，统一进行管理，但是随之便出现了一些问题。由丁二服务器的功 能特点决定了它的键盘、鼠标、显示器不会被频繁地使用，大量的服务器集中在 + 起，如果给每一台服务器配备一套键盘、鼠标和显示器的话，无形中就会造成 键盘、鼠标、显示器的浪费，并且占用了机房的空间。另外，平时机房罩有2 3 个工程师负责网络的管理和维护工作，一旦服务器出现问题，要寻找和判断其原 因就免不了要在不同的服务器之间来回穿梭。要是大家都能聚集在一个屏幕面f i ， f 日会诊所有服务器的状态，应该是一件方便而有效的事情。k v m 产品的出现， 解决了卜述问题。 k v m 是键盘( k e y b o a r d ) 、显示器( v i d e o ) 和鼠标( m o u s e ) 的英文缩写。k v m 产品就是利用一套键盘、鼠标和显示器在各个主机之间进行切换，从而实现多台 主机标准外设共享的设备。它的核心思想是针对服务器群标准外设经常被闲置的 特点，利用k v m 产品切换功能，实现由服务器群组成的系统和网络的：苫度可管理 性，提高管理人员的工作效率，节约机房面积，降低网络服务器系统的总体拥有 成本( t c o ) 。系统应用如图1 1 所示： 显示器 键盘鼠标 图1 1k v m 产品示意图 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 从图1 1 中我们可以看到，k v m 产品的应用在以下几个方面给用户带来了便利： 空间：对于象i s p 这样拥有大量服务器的企业而言，随着业务量的增加，添置 的服务器会越来越多，原先机房所占用的空间相对有限，而搬迁则会造成服务 的停顿。在这种情况下，减少外设可以为新增加的服务器腾出大量的空间。 效率和费用：当系统或网络维护人员穿梭于服务器、各种机柜之间，寻找出故 障的机器时，效率低下。而这种效率的低下，不但浪费了宝贵的人力资源，而 且使出现的故障得不到及时的修复，使网络或数据中心出现不应有的停顿。如 果在一套k v m 组成的控制台下登录所有的服务器，势必会极大地提高系统或 网络维护人员的工作效率，使得各个服务器得以充分地运行。同时，进行k v m 共享，将大大地降低机房建设的总体成本。首先，键盘、鼠标和显示器这些外 设可以大量地被节省下来；其次，大量的显示器被节省下来之后，一方面可减 少电能的消耗，另一方面也可大大地减少设备的散热量，降低使用空调造成的 能源消耗。机房的规模越大，其优越性越明显。 管理：工作效率的提高，意味着网络或数据中心得到了有效的管理，从而提高 系统的稳定性和安全性，为优质服务提供保证。同时，采用k v m 产品可以做 到控制台和机房相隔离，减少人员进出机房。有利于防尘，防湿。 1 2k v m 产品的发展状况 伴随着互联网事业的飞速发展，k v m 产品技术的发展也取得了长足的进步。 最初市场上见到的产品是一些机械式的手动转换装置，这是k v m 产品的最初雏 形。今天的k v m 产品已经发展成为通过硬件模拟键盘、鼠标的协议，仿真键盘和 鼠标，跟踪显示器行频、场频，进行实时切换的新型电子设备了。 机械式的转换开关是最早的k v m 产品。它完全通过物理上的机械转换来实 现主机标准外设的共事。而且这种机械式的转换开关在转换性能上很不稳定，经 常使得外设失去响应，只能用于在安全性，可靠性上没有任何要求的小规模的计 算机集群上。k v m 产品发展到今天，已经在技术上进步了很多，现在已经有成熟 的k v m 产品应用于实际当中去了。 目前，在k v m 产品领域，国外公司做的比较出色。c y b e x 公司、a p e x 公 司处于领导者地位，其它公司如r o s e 公司、r 删t o n 公司、a p c 以及台湾的 a t e n 公司及p c t 公司等也在这一领域参与竞争。大陆方面在k v m 这一领域相 对比较落后，国内还未有k v m 产品的报道，一些公司只是在做一些国外产品的代 理，如北京的博信天成公司代理c y b e x 公司全系列产品，南京协康网络代理a p e x 公司的的全系列产品等等。 第一章绪论 1 3 进行k v m 产品研究的意义 大量服务器机房的建立，对k v m 产品的需求越来越大，k v m 产品在性能上 也不断地随之进步，在功能上比以前更加强大。单台设备的k y m 转换器的拖动能 力已经达到了8 个，而且出现了假负载技术等。但是，通过市场调查和用户的反 馈意见，发现了一些问题和不足。 1 通常，在i d c 这样的一个服务器机房，随着数据量的不断增加，会不断地 投入新的服务器，当增加的设备超过k v m 的拖动能力时，往往通过拖动端口进行 k v m 级联来达到扩展目的，造成拖动端口的浪费。 2 k v m 产品出现之后，机房管理人员可以利用k v m 产品发现故障并进行处 理，从而降低劳动强度。但是机器故障在任何时候都可能发生，因信息的堵塞丽 造成系统长时间的不稳定将极大地损坏企业的形象或导致重大的损失。如果能通 过网络或者其他手段，将显示器( v i d e o ) 信号、键盘( k b ) 信号、鼠标( m o u s e ) 信号进行远程传送从而达到远程控制的目的，那么将可以及时地发现和解决问题， 提高工作效率。另外，对于一些公司进行异地托管服务器管理，采用远程的k v m 管理，那将最方便不过了。国外公司的产品虽然提供了远程控制功能，但是需要 在服务器驻留软件，一旦服务器宕机，远程控制的功能将失去作用，在服务器宕 机的情况下，没有一种远程复位的机制。 3 目前作者还没听说到国内有k v m 产品的生产，产品多是从国外进口，或 者是国外的公司通过国内的代理公司进行产品销售，因而价格比较高。例如，机 架式的一拖四或者是一拖八的k v m 产品价格要达到2 8 0 0 6 0 0 0 元不等。如何降 低产品的成本，从而更好地扩大市场份额，增加企业利润，也是作为科技工作者 需要考虑的个问题。 从上面提出的问题来看，国内在k v m 技术方面还处在起步方面，进行k v m 技术方面的研究是必要的。 理论意义 目前，在k v m 的远程控制方面，国外多是采用在服务器中驻留程序的方法 进行控制。也就是说，要求服务器运转正常，一旦出现宕机，那么远程控制就从 根本上失去意义了，如何克服这个问题，在理论上值得研究。 实际意义 2 l 世纪将是网络大发展的世纪，互联网事业的发展会对机房建设提出越来越 高的要求。有效地节约机房建设成本，快速地发现问题、解决问题将使得对k v m 产品的需求越来越大。目前，国内k v m 产品的生产几乎是一片空白，k v m 产品 基本上从国外进口，其价格昂贵，某种程度上也限制了k v m 产品的应用。进行 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 k v m 产品方面的研究工作，打破k v m 产品市场国外公司一统天下的局面，将会 给企业带来巨大的利润和效益。 国内对网络服务器进行方便、快捷管理的产品和解决方案市场几近空白。 随着k v m 产品的出现以及面向i d c 、中型企业机房、小型办公室的解决方案的推 出，为网络管理者提供了方便，并从控制生产成本、管理成本、电力成本和设备 购置成本等方面降低用户的t c o 。相信随着网络应用的发展，国内的用户也会把 目光转向k v m 技术，那么k v m 将拥有广阔的潜在市场。 1 4 本人主要工作及论文的章节安排 工作概况 1 参与k v m 产品的总体设计和规划。 2 电源主控模块和子模块的总体设计和规划。 3 电源主控模块和子模块的电路设计及功能的最终实现，包括代码编写、系 统联调。 4 远程k v m 共享方案的论证及实现。 二章节安排 1 第一章简要介绍k v m 产品的概念和国内外在这一领域的发展状况，针 对用户和市场调查的情况提出问题，并论述了进行k v m 研究工作的理 论意义和广阔的市场应用价值。 2 第二章针对用户的反馈意见和市场调查，提出新的k v m 产品的整体方 案，并对整体方案进行描述。 3 第三章对电源控制部分进行方案上的论证及功能上的实现进行描述。 4 第四章1 2c 总线的介绍，针对本系统特点对1 2c 总线协议进行改进， 给出了一种模拟的1 2 c 协议，并进行了论证。 5 第五章提出远程k v m 共享方案并针对w i n d o w s 操作系统的g u i 界面特 点给出屏幕图像压缩的方法。 6 结束语对工作的总结和后续研究方面的设想。 第二章k v m 产品整体方案和系统结构 第二章k v m 产品整体方案和系统结构 设计k v m 产品是一项复杂的系统工程，它包括总体方案的设计和论证，器件 的选型，系统各模块的划分，调试以及系统的总联调等。本章首先提出新的整体 方案，在此基础上对方案中各个模块的系统结构进行了介绍。 2 1k v m 产品整体方案 一般而言，k v m 产品分为键盘切换部分，鼠标切换部分和显示器切换部分。 如图2 1 所示： 圈2 1k v m 结构框| ! | 由图2 1 中我们可以看出，系统的各模块比较独立。当系统需要扩展端口时， 则通过级联k v m 来达到目的，这样则浪费了端口。除了切换功能之外，远程控制 功能也实现不了。因此，为了提高产品的性能，更好地满足用户的要求，作者提 出了一种新的系统整体方案。整体方案在以下几个方面做了改进： 1 将原来k v m 产品的切换功能集中起来，形成子模块，用于系统端口的扩 展，同时设立一个k v m 切换功能的控制模块，控制模块用于控制各子模块的的切 换动作。控制模块通过通讯接口接收控制命令，各子模块与控制模块通过有线网 络进行通讯。这样可提高拖动端口的利用率。 2 设立远程控制模块和远程电源控制模块，通过互联网和电话线进行远程的 控制。通过远程控制模块对服务器屏幕图像进行采集，压缩后通过互联网进行远 程传输，从而达到远程控制的目的，而且不用在服务器驻留软件，即使服务器出 现宕机，也不影响远程控制。当远程控制模块出现宕机时，通过远程电源管理模 块我们可以对服务器进行重启。 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 新的k v m 整体方案如图2 2 所示 图2 2 新的k v m 产品的整体方案 系统构成 按照设计目标，系统硬件主要分成五个组成部分： k v m 主机 进行本地控制功能的实现，执行r m c ( 远程控制模块) 传送的指令， 控制k v m 模块动作，控制联机的p w r ( 电源模块) 的动作，采集r m c 所需配合的数据等。 扩展模块 配合k v m 主机进行本地工作，以4 个设备控制单元为一个基本模块， 实现基本的k v m 假负载，实现通道切换动作等。 远程控制模块 实现远程服务的嵌入式控制器，实现对v i d e o 信号的实时数字化和 对远程k b 及m o u s e 动作的传递工作，以独立的i p 主机方式接受远 程客户端的连接控制。 电源控制模块 电源控制模块可以独立工作或与k v m 主机联机工作，实现对受控的 主机电源进行复位动作的控制。独立工作时接受电话拨号控制或现场 第二章k v m 产品整体方案和系统结构 手动控制；与k v m 主机联机工作时受远程模块通过k v m 主机控制 或现场手动控制。 电源执行模块 电源执行模块接受电源控制模块的控制，按照选择地址，执行受控主 机端的复位操作。 2 2k v m 系统结构 1 k v m 主机 k v m 主机的硬件组成结构框图如图2 3 所示。 本地 i 笙l2 3k v m 主机硬料：组成框图 控制功能由一个m c u 和外围辅助接口电路来实现。k v m 主机对外接口 共有四部分组成：本地k v m 物理设备接口，用于连接本地的键盘、鼠标及显 示器设备；系统模块接口，使用2 线串行通信逻辑，连接所有系统模块，其中 扩展模块设置到最多6 4 个，按每个k v m 模块控制八台设备计，即可控制5 0 4 套主机设备；用于k v m 模块的连接检测线路，信号切换控制线路及相关的通 信线路；用于指示系统各部件工作状态的指示灯和本地控制及功能选择的按键 接口。 这部分的软件功能设计围绕硬件结构进行，包括：系统复位与配置模块、 系统硬件p n p ( p l u s a n d p l a y ，即插即用) 功能模块、系统通信模块、功能控制 模块、内部i o 及按键与指示模块、k b 数据检测模块、鼠标动作检测模块和 系统密码安全模块等。 2 扩展模块 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 扩展模块是系统规模扩展的基本单元。硬件组成框图如图2 4 所示。 图24 扩展模块硬件组成框图 扩展模块由一个m c u 和外围辅助电路组成。由m c u 实现k v m 的假负 载逻辑功能，由相关外围线路进行假负载的物理模拟。另外m c u 接受k v m 主机的控制信号，对模块内的八路k v m 信号进行选通控制。 扩展模块的软件功能包括：系统复位及配置模块、k b 和m o u s e 复位应 答逻辑功能模块、通信功能模块、选通控制模块、系统p n p 配置模块等。 远程控制模块 远程控制模块是远程控制系统的核心部件，使用嵌入式系统设计，使用定 制的x 8 6 主机系统和定制的嵌入式l i n u x 系统实现系统功能。系统硬件组成 框图如图2 5 所示。 远程控制模块对标准p c 机硬件系统进行功能削减设计，只保留系统功能 实现所必需的部分，另外增加了实现系统功能而设计的附加部件，即v i d e o 信号数字化部件、与k v m 主机通信接口部件及i p 网络接口部件。 远程控制模块的软件设计包括：定制的嵌入式l i n u x 操作系统，定制硬 件的设备驱动程序，远程控制功能服务器软件，远程访问服务器软件，系统配 置功能软件等。 第二章k v m 产品整体方案和系统结构 9 4 电源控制模块 图2 5 远程控制模块硬件组成框图 电源控制模块主控部件的硬件组成框图如图2 6 所示。 至电源节完全主从式2 线式通j j l 一蓠。蓥 n 蠹”餮 ? il 电源 岫c u 2 线串行通信 至电话线 电话线路接 l k 1m 主控模 i 接地 古 图2 6 电源控制模块主控部件硬件组成框图 电源控制模块可以作为独立的控制系统存在，对通过电源执行模块进行连 接的主机系统进行复位的功能控制。单独工作时，电源控制模块使用标准电话 线路连接，拨号连接后，进行密码安全验证，验证通过则可以通过电话号码盘 0 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 进行设备选择和控制功能的实现。在与k v m 主机联机受控工作时，电源控制 模块接受k v m 主机的控制信息并实现相应的电源控制功能。 电源控制模块由一个m c u 进行中心控制，配合外围线路实现与k v m 主 机的通信功能，电话应答功能，与电源执行模块的通信控制功能等。 电源控制模块的软件设计包括：系统复位功能模块，电话信号应答及处理 功能模块，连接k v m 主机p 1 1 p 配置功能模块，与k v m 主机通信功能模块， 与电源执行模块的通信控制模块等。 电源执行模块 电源执行模块的硬件组成框图如图2 7 所示。 图2 7 电源执行模块硬件组成框图 电源执行模块的硬件由一个m c u 和相应外围线路组成。m c u 的工作是接 收电源控制模块的控制命令，译码后完成相应的主机电源复位操作，即控制相 关执行机构进行预先配置好的操作。 电源执行模块的软件设计包含系统复位功能模块，通信功能模块及执行机 构控制功能模块等。 每个电源执行模块可以控制8 组电源信号的通断动作。系统共可串接6 4 个执行部件( 即子模块) ，即总共可以控制5 1 2 组设备的电源通断复位动作。 通过提出新的方案，很好地解决了模块扩展的阀题，另外远程控制的概念 也很好地体现在了方案之中。 第三章电源控制模块方案及其功能实现 第三章电源控制模块方案及其功能实现 本章首先通过远程控制思想的提出，介绍了远程控制在k v m 产品中的应用 然后阐述和论证了作者提出的电源远程控制模块的方案，给出了实现过程。 3 1 远程控制概念的提出 远程控制技术就是利用有线或者无线通讯对远方的设备进行控制。远程控制 技术应用非常广泛，大到卫星、导弹飞行姿态的调整，小到家用电器的控制，从 国防建设到日常生活，远程控制技术都在发挥它的作用。 随着网络事业的发展，互联网在远程控制方面显示出了它的强大生命力。利 用互联网不失为一种好的远程控制方法。现在的一些远程控制软件多见于一些黑 客软件，这些程序一般都是基于客户，服务器模式的。他们将程序驻留于服务端， 利用客户端进行连接，连接上之后进行远程的图像传输，在客户端进行键盘鼠标 的操作，在服务端进行解析，执行相应的操作，就可以进行远程控制了。所有通 过网络进行远程控制的软件都是基于这样一个条件，就是服务端操作系统运转正 常。一旦服务器运转不正常，这些软件就从根本上失去了作用，从而使得远端的 用户失去了对服务器的控制。目前国外的k v m 产品的远程控制功能多采用此类 软件。采用这种方式必须在服务器驻留程序，一旦服务器出现宕机现象，机房管 理人员还得亲自到现场去复位服务器，对于服务器异地托管的用户，将造成非常 大的不便。 如何充分利用互联网进行远程控制，即使在机房服务器宕机的情况下，也能 通过远程复位重新启动服务器呢? 据此作者提出了如下的远程控制思想： 我们建立远程控制模块，使用嵌入式系统设计，定制x 8 6 主机系统和嵌入 式l i n u x 操作系统来实现系统功能。进行远程通信的服务端的程序就驻留在这 个模块中。在此模块中，增加v i d e o 信号采集功能，将采集的v i d e o 信号数 字化之后进行压缩，然后利用互联网传至远程客户端。远程的用户通过客户端软 件进行图像的接收，客户端软件将用户在客户端的k b 、m o u s e 操作通过互联 网传送至远程控制模块，解析之后送至k v m 主机，从而达到远程控制的目的。 以上情况为机房服务器系统运转正常时的操作。当服务器宕机时，通过互联 网还可以收到服务器的显示画面，但是由于操作系统出现异常，对键盘鼠标信号 不能做出响应，进行控制已经不可能了。这时利用电话对电源模块进行远程控制， 执行服务器复位操作，重新启动服务器。这样的话，只要k v m 产品运转正常， 即使在机房服务器宕机的情况下，也能保持对服务器的远程控制功能，从而解决 了远程控制的问题。 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 3 2 电源控制模块硬件方案的描述及论证 3 2 1 总体方案论证 电源远程控制模块硬件的功能就是通过远程控制，在机房服务器出现死机的 情况下，利用电话对其进行远程复位，以便重新启动服务器，恢复系统正常运行。 电源的远程控制模块可通过互联网和电话线进行控制。方案如图3 1 所示： 图3 1 电源控制模块结构框图 由图3 1 中可以看出，电源控制模块的控制方式有三种。第一，客户端可以 通过键盘和鼠标发出远程复位信息，远程控制模块通过互联网接收到客户端的键 盘鼠标信号后，经过解析，向k v m 主机发送复位信息，k v m 主机把指令流解析 之后，向电源控制模块发出了相应的复位命令，电源控制模块执行相应的动作， 将机房服务器进行复位。第二，当网络出现拥塞，或者远程控制模块出现了故障， 客户端无法通过互联网发送相应的服务器复位信息，使得k v m 主机无法得到服务 器的复位指令时，用户还可以通过电话进行远程复位操作，从而最大限度地保证 了远程控制的可操作性，保证了用户在使用上的方便。第三，电源控制模块还提 供了现场复位的操作功能。当机房操作人员在机房现场时，可以通过电源控制模 块上的按键进行现场的操作，使得电源控制模块在操作上更加灵活和方便。 电源控制模块分为电源主控模块和电源执行模块两部分。电源主控模块的功 能就是与k v m 主机进行通信，接收指令，发送响应信息；轮循进行振铃检测和本 地控制的数码管显示：模拟摘机功能，接收电话线上的控制信息：进行音频解码， 第三章电源控制模块方案及其功能实现 并对解码的信息流进行解析；与电源执行模块进行通信，将从k v m 主机或者电话 来的指令流送至执行模块；对本模块的端口进行相应的控制。电源执行模块的功 能是电源主控模块功能的简化。它只负责与电源主控模块之间的通信，将指令解 析之后进行相应的端口控制操作。 方案中涉及到了音频信号的解码技术、单片机之间的通信技术以及互联网远 程通信技术。目前市场上有技术成熟的音频解码芯片，单片机之间的通信我们也 可以通过编制代码实现，计算机的远程控制技术，我们也可以通过高级语言的编 程实现。因此，在技术上方案是可行的。 3 2 2 通信机制的选择 k v m 共享系统是应用于i d c 这样的集群服务器机房当中的。在这些机房当中， 数据每时每刻都在交互地进行流动，因此服务器需要不问断地工作，而且随着数 据量的增大，必须投入新的服务器。这就要求系统的电源扩展模块必须具有p n p 热插拔特性，这样的话，我们就必须要求单片机通信也必须具有热插拔特性。 p c 总线是一种串行扩展总线，它最大限度地简化了结构，只需两根线。因为 1 2 c 总线上各节点接有上拉电阻，所以它最大的特点就是各节点具有独立的电气特 性，各节点单元电路能在相互不受影响的情况下接入或删除，具有热插拔特性”1 。 选用此种总线，可以满足系统通信热插拔特性的要求。对于p c 总线及其协议在后 面的章节有详细的论述。 3 2 3 单片机的选择 单片机的选择首先要根据系统的要求考虑，同时也应该本着功能强大与成本 核算相结合的原则进行。由于系统采用i ：c 总线作为通信总线，以保证扩展模块的 热插拔特性，而p c 总线要求通信端口具有开路输出的功能。另外根据电源控制模 块系统的功能要求，每一个控制端口连接一台服务器，各个服务器的工作彼此独 立，因此需要有独立编程的端口。基于以上因素考虑，我们选用s t 系列的单片机 芯片，该芯片具有如下的功能： 1 具有5 个中断矢量 2 6 4 个8b i tr a m 3 3 kb y t e sr o m ( s t 6 2 3 2 有8 ( b y t e sr o m ) 4 具有时钟中断 5 各1 o 端口能够独立地以以下几种方式进行工作： 带上拉电阻的输入 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 不带上拉电阻的输入 带有中断功能的输入 集电极开路输出或者推挽式的输出 其中，当端口以中断方式进行工作的时候，可以通过对端口的配置寄存器进 行配置使端口能够以上升沿、下降沿、高电平、低电平的中断方式进行工作，从 而在设计过程中可以非常灵活地配置端口进行编程。 在s t 系列单片机中，对于电源主控模块我们选用s t 6 2 3 2 单片机，它具有3 0 个可以独立编程的端口；对于电源执行模块我们选用s t 6 2 2 5 单片机，它具有2 0 个端口，端口数量满足了系统的要求。 3 2 4 服务器的复位机制 按照a t x 标准，服务器的复位是通过电平触发来实现的p j ，通过连到机箱上 的r e s e t 开关的瞬间导通来实现电平触发。在a t x 标准中，主板上的电源插座为 2 0 脚，电源插头的功能如图3 2 所示： 5 v s b 一5 v s t a n d b y ，供启动线路用 p s 0 n 一当启动线路送低电平给a t x 电源时，电源自动开启：当启动线路送高 电平给a t x 电源时，电源自动关闭。 p w - o k - - p o w e rg o o d ，p o w e rg o o d 为高电平，表示电源已经可以提供稳定的 电压，主板使用此信号来作系统“r e s e t ”信号；当电源的电压低于4 7 5 v 时，p o w e r g o o d 信号即为低电平，此时主板系统即保持在“r e s e t ”状态下，这样可防止系统 误动作。 c o m 一接地 第三章电源控制模块方案及其功能实现 图3 2a t x 标准的电源接口规范 简单地说，服务器的复位机制解决方案是通过掉电再上电来实现的。目前主 板的供应商为了加强对主板的保护，避免误动作，采用了电平触发的方式来启动 主板的工作。当电压加在主板上时，主板并不工作，而是处于待机状态。主板的 工作状态是通过p w - o k 电平信号来触发的，即通过连到机箱的按键式丌关的瞬时 连通获得高电平来触发的。如果服务器在运行的时候掉电，当重新上电时，主板 是处在待机工作的状态，而不会重新启动进入到工作状态。简单地通过继电器控 制电源通断进行重启是行不通的。在机箱的复位开关处并联一个开关，用连线日l 至电源执行模块处，通过继电器的开关来控制r e s e t 键的吸合，从而达到远程控 制的目的。 3 2 5 电话远程控制机制 电话线通过r j 1 1 插座连接到电源主控模块上，电源主控模块占用一个电话号 码。当拨通此电话号码时，振铃检测电路检测振铃信号，当达到一定的振铃次数 时( 可以在程序中设定) ，单片机控制电路进行模拟摘机，将电话的按键信号经整 流后接至音频解码电路。通过双音多频( d 刑f ) 解码芯片将电话号码解码成b c d 码，电源主控模块通过b c d 码的读取，从而确认出电话所拨的数字键。简而言之， 就是通过对电话按键进行编码，然后利用交互式语音响应来实现电话远程控制。 耋； 谢 蝴 w w 删 籼 蚴 瑚 删 删 钟 删 删 删 辱； w 吖 第三章电源控制模块方案及其功能实现 1 5 图3 2a t x 标准的电源接口规范 简单地说，服务器的复位机制解决方案是通过掉电再上电来实现的。目前主 板的供应商为了加强对主板的保护，避免误动作，采用了电平触发的方式来启动 主板的工作。当电压加在主板上时，主板并不工作，而是处于待机状态。主板的 工作状态是通过p w - o k 电平信号来触发的，即通过连到机箱的按键式丌关的瞬时 连通获得高电平来触发的。如果服务器在运行的时候掉电，当重新上电时，主板 是处在待机工作的状态，而不会重新启动进入到工作状态。简单地通过继电器控 似_一i严1一ri j ii i i i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 垂! 童曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼窒 至电源执行模块处，通过继电器的开关来控制r e s e t 键的吸合，从而达到远程控 制的目的。 3 2 5 电话远程控制机制 堋 耋| 删 吖 言； 删 m 蚴 瑚 删 删 珊 删 删 删 辱； w 吖 6服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 3 3 振铃检测和模拟摘机电路 在电话线路中，从交换机中送出的信号为2 5 h z 的交流电信号，电压的峰峰值 为9 0 1 5 v ，电流达1 8 8 0 ma ( 与线路的长短有关) “1 。 知道了以上的输入情况，我们就可以来设计振铃检测电路了，结合单片机的端 口情况，利用光耦产生方波，对方波信号进行计数来解决振铃检测的问题。如图 3 3 所示，电话线送过来的信号是个交流信号，经过电容c 滤掉信号中的直流成分， 然后经过一个由电阻r 1 和r 2 组成的分压电路( r 2 并联一个光耦) ，到达光耦输入 端。当有来话呼叫时，由光耦的通断产生方波信号，送至单片机进行计数，当达 到设定的振铃次数( 可由程序设定) 时，由单片机控制进行模拟摘机动作。 图3 3 振零检测电路示意图 振铃检测电路中采用光耦的好处就是使电话线路与电源主控模块的电路产生 隔离，避免电话线中由于振铃产生的电流窜入电路当中产生干扰，甚至烧毁电路 中的器件。 电话在挂机和摘机状态时，两根电话线之间的阻值是不同的。交换机通过检 测电话线两线间的阻值来判别挂机状态和摘机状态。挂机时，电话线两线间呈现 高阻值( 达到几兆欧姆) 状态，摘机时，则只有2 0 0 3 0 0 q 1 4 】。通过改变两线间的 阻值就可以实现模拟摘机。当单片机检测振铃次数达到一定的值时，就控制继电 器将电话线切换到低阻状态下，从而达到模拟摘机的目的。 在电源主控模块中，模拟摘机就是要将电话线切换到音频解码电路当中去。 但是音频解码电路相对于电话线的阻值比较高，这样即使继电器已经将线路切换 到了音频解码电路上了，交换机仍然认为电话机是处于振铃状态，从电话机的听 筒中听到的仍然是振铃的声音。为了解决这个问题，我们给音频解码电路并联了 一个3 0 0 d 的电阻，重新测试，发现模拟摘机功能实现了，而且担心因为并联分流 而影响音频解码电路工作的现象并没有出现。经反复测试，这部分电路工作非常 第三章电源控制模块方案及其功能实现 稳定。 3 4d t m f 解码机制 现在全国各地电话交换机几乎都是程控交换机。程控电话交换机既可接收脉 冲呼叫信号也可接收双音频信号。电子电话机中的双音频拨号则是以音频组合信 号来传递数字及其它信息的，其中l k h z 以上的4 个音频称为高频群，l k h z 以下 的4 个音频称为低频群。一个高音频和一个低音频的组合代表一个数字或字符， 具体的频率组合如图3 4 所示。 毒蕊 1 2 0 9 h z 1 3 3 6 h z1 4 4 7 h z j 6 6 3 h z 铽， 6 9 7 h z l2 3a 7 7 0 h z 4 56b 8 5 2 h z78 9c 9 4 1 h z 木 0 #d 图34 电话机按键的音频组合 m t 8 8 7 0 芯片是m i t e l 公司的音频译码芯片。其内部结构框架如图3 5 所示， 当d t m f 信号经放大后，由两个滤波器进行滤波。第一级滤波器进行拨号音滤波， 即对3 5 0 h z 和4 4 0 h z 的拨号音信号进行滤波，以防电路产生误动作。然后两个六 阶开关电容窄带滤波器分别进行高频群和低频群信号的滤波。两组信号各由一高 增益的比较器进行检测限幅，变为矩形脉冲。随后是译码电路，它用数字技术检 测输入信号的频率与标准的d t m f 频率对应比较，当检测到两个有效信号时，e s t 输出端处于激活状态。在信号译码计数时，还要检验有效信号周期，这一功能由 e s t 端连续驱动的外部r c 定时器完成。当外部高电平高于逻辑控制电路的门槛电 压值，锁存电路便将对应的四位b c d 码锁定在输出锁存器中。在一个短暂的延迟 后，延迟控制输出标志端s t d 变为高电平，有效信号的四位b c d 码被存储起来， 如果这时t o e 端接至高电平，锁存器的内容便被送至q 1 q 4 输出线上了。 服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 图35d t m f 解码芯片8 8 7 0 内部结构框图 q 1 0 2 口3 叭 根据芯片的内部结构框图原理以及各个管脚的输入输出特性，给出了d t m f 解码电路，如图3 6 所示： dr m f n p u t 图3 6d t m f 解码电路 摘机后，交换机送出4 5 0 h z 、9 0 伏，载频为2 5 h z 的交流信号，拨号音通过载 频进行传送。交流的音频信号首先经过桥式整流变为直流信号送到d t m fi n p u t 端，再经过电容滤波接入到解码芯片m t 8 8 7 0 上。在电路中采用的石英晶体的振 第二章电源控制模块方案及其功能实现 9 荡频率为3 5 7 9 5 4 5 m h z 。这是一个严格的参数，不能随意地用3 5 8 m h z 的石英晶 体代替。这是由于程控交换机对双音多频的电平、频率误差、谐波失真都有严格 的要求。交换机的窄带滤波器的通频带设计的很窄( 我国对频率误差要求为士1 8 ) 如果频率误差较大，窄带滤波器就会将超过误差要求的双音频信号作为干扰信号 处理。于是就造成了能听到4 0 0 ( 或4 5 0 ) h z 拨号音，但是电话打不出去的现象。 对于解码电路来说，由于振荡频率不准，就会造成解码的错误。 拨通分配给电源主控模块的电话号码，经过振铃检测和模拟摘机后，电话线 路被接通，此时由单片机控制语音电路送出语音提示至电话线路，用户在语音提 示下，按下电话机按键。进行一系列的按键操作，完成控制功能。 电话按键的音频信号经d t m f 解码电路解码之后变为b c d 码，单片机检测到 解码电路状念信号s t d 有输出之后，将b c d 码从q 1 q 4 读出，判断电话机上哪 个按键被按下了。通过对电话机的按键进行组合，形成一些控制命令字，利用这 些控制命令字达到控制的目的。流程如图3 6 所示： 语音提_ i 按键操作 彳三 一刁一， j ? 菖 一， 图3 6d t m f 解码操作流图 设计好d t m f 解码电路之后，根据图3 6 制定出电话控制的各个命令字，如 下： l l l系统初始化的密码 # l进行控制操作 群2修改密码操作 # 输入结束命令 设置系统最初的密码为1 1 1 ，当用户想修改密码的时候，可以根据图3 6 进行 相应的操作。系统的模块号设置为0 6 3 ，通道号设置为1 7 ，超过这些数字的 2 0服务器群的电源控制及远程k v m 共享的实现 输入，不被系统接收，系统会继续进行语音提示，连续3 次的错误输入，系统认 为无权用户在进行非法操作，自动挂机。用户只有拨通电话重新输入，才能进行 正常的操作。 3 5 端口复用技术 在设计单片机系统的过程中，有时会出现单片机提供端口数量比系统所需端口 少的情况。更换单片机，则系统的方案论证就得重新考虑，耽误研发周期，而且 更换单片机有可能会增加系统的成本。解决系统的问题应当针对系统的实际情况 仔细考虑，如果能做到端口复用，将有效地避免上述情况的出现。 憾豫 芦t 一 0 i l ：颜色深度( 用n 个字节表示颜色) 图5 4 ( 2 ) 如果指定背景位为1 ，则后紧跟一个象素值，代表该片的背景色。如果为0 则表示该片背景色和上一片相同，如图5 5 。 l字竹数取值描述 l n背景色( n ：颜色深度) 图55 ( 3 ) 如果指定前景位为1 ，则后紧跟一个象素值，代表该片的前景色。该位为1 则子块颜色位必须为0 ，如图5 6 。 i字1 l 数取值描述 l n前景色( n ：颜色深度) 图5 6 ( 4 ) 随意子块位为l ，则后紧跟一个字节代表片内子块的个数，如图5 7 。 l字节数取值描述 l l - 0 2 5 5 子块个数i l 图5 7 ( 5 ) 子块颜色位为l ，则每个片内子块都以1 个象素值和2 个字节的子块位置参 数来表示。该位为0 ，则表示所有子块的颜色和指定的背景色相同。如果没 第五章远程k v m _ 共享的机制及实现 有指定前景色，则和上一片的前景色相同，如图5 8 。 l字节数取值 描述 子块颜色 l ； 0 2 5 5 于块的颜色和位置x 和y o 2 5 5 子块的大小w 和h 图5 8 这种编码算法，对通常较典型的计算机屏幕压缩比一般为1 0 ：1 或更高，压 缩效果比较好。 从颜色变换上进行压缩 因为计算机屏幕所需的存储空间大小和象素的颜色深度有很大的关系。例如， 用3 2 位色，每个象素就需要4 个字节，而用1 6 位色则每个象素只需要2 个字节。 所以，将具有较高颜色深度的计算机屏幕数据变换至较低颜色深度，即变换到中 间颜色，就可以起到数据压缩的作用。当然，这种压缩方法在颜色方面是有损压 缩的，并且颜色变换也同时引进了不小的计算量。但是，试验表明人眼对于1 6 位 色以上颜色分辨能力很弱，即从3 2 位色变换到1 6 位色，虽然数据量减少了一半， 但视觉效果还是可以接受的。同时，变换到中间颜色的方案，在某些场合是不得 不进行的。例如，在进行屏幕传输时，可能存在发送机和接收机颜色配置不一致， 这时采用中间色是条比较好的途径。 可以这样设想：用户在客户端进行操作，对于静态图像的传输，当用户在某 段时间不进行操作，显示器的界面没有发生任何变化，而此时服务器端还是不停 地将屏幕的数据不断地向客户端发送，这样无疑加大了数据的传输量，占用了带 宽，造成浪费。我们注意到，在进行静态图像传输的过程中，每一幅图像之间彼 此存在着关联，就给我们进一步在传输数据中压缩数据提供了可能。 在静态图像传输中，前后屏幕图像存在很大的相关性，屏幕图像的变化往往 是发生在局部区域。如果我们在服务器端实时地监测屏幕图像发生变化的区域， 然后只将发生变化区域的图像数据进行传输和再现，这样将大大地减少数据传输 量和图像数据获取和再现时的计算量。实现原理和机制如下： 首先，在缓冲区中存储一个整屏的屏幕数据，然后，定时地将当前屏幕与缓 存屏幕进行比较。如果2 个屏幕数据完全相同则说明屏幕没有发生任何变化，不 需要传送，否则求出发生变化的区域后传送，并替换缓存当前屏幕。可以用不同 图像处理算法以最快速度求出发生变化的区域，如将两个屏幕数据相减，求出差 分值：或将整个屏幕分解成许多规则小块，然后逐个