提出一種基于高速USB2.0-HID 類規范的鼠標同步方法。在傳統相對鼠標同步方法中加入自適應"殘差處理",去除相對偏移的累積誤差，增加一種絕對鼠標同步方法，用雙字節絕對坐標值代替傳統單字節相對坐標偏移進行定位。實驗結果表明，該方法使同步延遲時間降至3 ms 以下，能有效提高同步的精確性和時效性。

　　1 概述

　　KVM 即鍵盤(Keyboard)、顯示器(Video)、鼠標(Mouse)的縮寫組合[1].由于網絡延時或被控機分辨率不在KVM 可控范圍內等因素，傳統KVM 在鼠標同步方面存在被控機鼠標與主機鼠標位置偏差過大、鼠標操作延緩甚至無法響應等問題。故提高鼠標同步的精確性和時效性，成為KVM 技術發展的一項重要內容。目前支持設備通用連接并具有高傳輸速率的USB 接口已成為外設連接PC 主機的主流方式。

　　USB2.0 接口標準在原有的12 Mb/s 和1.5 Mb/s 傳輸速率基礎上加入480 Mb/s 的高速支持，使單位時間內能夠傳輸和處理更多的事務數據。鍵盤、鼠標等支持人與計算機交互的設備歸為人接口設備(Human Interface Device, HID)類，是最為廣泛使用的USB 設備，并已得到Windows/Linux 等操作系統內置驅動程序的良好支持。本文依據HID 類規范協議，通過高速USB2.0 的硬件支持，向被控機發送信令數據模擬鼠標操作。

　　2 鼠標同步方法

　　2.1 實現原理

　　KVM 核心技術是通過鍵盤、鼠標、顯示器的適當配置，對KVM 切換器的多臺遠程被控機進行管理，實現用一套I/O外設去訪問和操作多臺被控機。圖1 為其框架示意圖。

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　　圖1 KVM 框架示意圖

　　HID 類設備的信息以描述符形式存儲在設備ROM 中，通過設置、檢測相應描述符結構完成設備與主機之間信令、數據的傳輸和獲取。HID 類設備的具體應用數據如鍵盤鍵值、鼠標指針值等主要用報告描述符進行描述。報告描述符由多片規則則條目的信息由片段組成，可由HID 類規范自定義數據表達類型。主要條目第3 位數值(Bit2{Absolute(0)|Relative(1)})標識設備操作使用是絕對模式還是相對模式，從而在支持鼠標同步方法中，有絕對同步和相對同步這2 種方式。鼠標數據內容包括鼠標的按鍵狀態、坐標位置和滾輪滾動值等。

　　傳輸方式根據鼠標應用數據量較小、不定時發生、延遲受限等特點，采用對時間有嚴格限制的中斷傳輸方式。同時，高速USB2.0 支持單個事務可傳送最大數據包的容量達1 024 Byte,輪詢事務的時間間隔僅為125 Fs,支持傳輸速率可達到24.5 Mb/s.

　　2.2 相對鼠標同步

　　相對鼠標同步是根據計算前后2 次鼠標坐標的差值，對當前鼠標位置進行偏移。由于條目以1 Byte 為單位，因此傳輸單字節坐標偏移的相對同步方式最早應用于KVM 的鼠標同步。相對鼠標同步的有效數據區定義如表1 所示。

　　表1 相對鼠標同步數據區定義

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　　由字節的低3 位，即0 bit~2 bit 分別表示滾輪、右鍵和左鍵按下或彈起的狀態，即按鍵狀態。

　　相對偏移差值數值范圍為?127~127,當差值在水平方向(X 軸)或豎直方向(Y 軸)大于127 時，需要分多次進行移動，即循環多次發送差值數據。滾輪以±1表示向上或向下滾動一格，并可累計滾動格數，以支持更多頁面滾動。本文用匯編語言定義相對鼠標同步的報告描述符內容如表2 所示。

　　表2 相對鼠標同步的報告描述符

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　　通過界面獲得的鼠標坐標值以一個像素為單位，較實際位置有一定的精度損失。且相對鼠標同步每次的偏移值均以上次坐標為基準，數值損失將不斷累加。針對此問題，本文在相對同步方式中增加了自適應的誤差彌補，對累積誤差進行檢測和處理，即"殘差處理".該處理方法主要采用坐標值精度轉換、累計殘差、足1 補齊的方式，具體實現方法如下所述：

　　(1)坐標值精度轉換。

　　采用short 型雙字節數值表示法，以屏幕左上角為原點，且無論何種分辨率均定義右下角坐標為(32 767, 32 767)，將界面獲取的坐標根據屏幕分辨率按比例進行轉換。

　　同時記錄本次的雙字節絕對坐標位置作為下次偏移的基準，減少以偏移差值為基準而引入的累積誤差。

　　(2)殘差累計及補償。

　　使用double 型變量累計每次坐標值轉為short 整型時丟棄的小數值。當累計值大于1 時，在當前坐標差值上補1 再進行發送。同時定時檢測誤差累計值大于1 的次數頻率，當超過一定程度時，采取自動重新同步。即先進行13 次(?127,?127)坐標偏移，將鼠標移動到屏幕左上角，然后再用一次至多次偏移，將鼠標定位到控制主機記錄的最后坐標位置。

　　然后采用13 次坐標偏移，若以1 920×1 080 分辨率屏幕為上界，則在當前主流顯示器中，均可以將鼠標移至屏幕左上角。

　　2.3 絕對鼠標同步

　　絕對鼠標同步在經過直接傳輸換算后，其雙字節絕對坐標值的每次同步，均需要以原點為基準重新定位鼠標，以去除與前一次鼠標位置的關聯，由此避免了相對偏移造成的誤差累積。其有效同步數據區定義如表3 所示。

　　表3 絕對鼠標同步的數據區定義

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　　絕對鼠標同步具有更精確的同步效果，并且需要占用報告描述符條目的2 Byte 空間來表示坐標值(滾輪值)，故必須得到操作系統內置HID 類驅動程序的支持。現代Windows系列(XP/Win7/Vista 等)、Mac OS 10.5 以及Linux 2.6 版本等操作系統均可支持絕對鼠標模式，OS/2 系統也于2010 年5 月發布xsmouse00.zip 提供支持該模式的鼠標驅動程序。由于絕對鼠標同步方法采用雙字節表示有效數據，其報告描述符結構設置與相對同步方式不同，描述符內容如表4 所示。

　　表4 絕對鼠標同步的報告描述符

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　　3 KVM 系統總體結構

　　本文設計并實現了基于該鼠標同步方法的KVM 系統，主要分為3 個模塊：(1)運行于控制主機的客戶端;(2)連接多臺被控機的KVM 切換系統;(3)通過USB 接口與被控機相連，并且能模擬HID 設備的控制模塊。KVM 系統總體結構如圖2 所示。

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　　圖2 KVM 系統總體結構

　　KVM 系統3 個模塊功能定義如下：

　　(1)控制主機客戶端。

　　本文設計的KVM 系統基于B/S 框架，控制主機組合鼠標、鍵盤、顯示器等I/O 設備，通過Web 頁面調用操作界面。

　　界面經TCP/IP 網絡接收被控機屏幕畫面并解碼顯示，同時檢測本機鼠標、鍵盤事件，將數據發送至KVM 切換系統。由于被控機的視頻流發送負荷達5 Mb/s~10 Mb/s,為避免鼠標數據延遲，因此，本系統采用獨立的TCP/IP 連接發送鼠標鍵盤數據。

　　(2)KVM 切換系統。

　　KVM 切換系統的核心是：運行主要內核程序及服務器程序，并通過HPI 接口連接多臺被控機進行切換控制的嵌入式處理器。處理器網絡接收鼠標數據并完成坐標處理算法，并將數據發送至與相應被控機連接的HID 設備控制模塊。

　　(3)HID 設備控制模塊。

　　采用USB2.0 接口與被控機相連，支持480 Mb/s 的傳輸速率。經HPI 接收KVM 切換系統的鼠標數據并對報告描述符結構進行設置，通過中斷傳輸方式傳送至被控機，實現鼠標設備的模擬控制。該模塊是KVM 系統中完成HID 設備數據通信的核心模塊。

　　4 實驗與結果分析

　　4.1 延時測試

　　本文分別對KVM 鼠標操作總體的延遲時間，以及同步方法模塊的延遲時間進行測試，定義如下：

　　(1)總體延時。

　　本文采用"回環模式"對總體延時進行測試。回環模式主要通過在主控機和被控機上形成對同一事件的循環響應，獲取兩者的響應時間差值，以得出延遲時間。具體實現方法為：在主控機和被控機上同時運行一個測試客戶端，鼠標單擊主控機的客戶端界面，界面響應事件并發出UDP 數據包標識時間;事件傳遞至被控機客戶端后，被控機客戶端同樣響應該事件并發出UDP 包。通過網絡工具捕捉這2 個UDP包，并計算兩者之間的時間差值，即得到總體的鼠標延時。

　　鼠標總體延時測試的實現流程如圖3 所示。

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　　圖3 總體延時測試

　　(2)同步方法延時。

　　考慮到控制主機性能和網絡環境等不固定因素，本文同時對鼠標同步方法的延遲時間進行測試。同步方法延時測試主要采用硬件中斷方式。同樣在主控機和被控機上各運行一個客戶端，并對主控機客戶端進行鼠標單擊操作。當鼠標操作數據由主控機客戶端傳輸到處理器時，處理器產生中斷并拉高電平;被控機客戶端接收到鼠標操作數據，發出UDP 包作為回應，當處理器接收到被控機端的UDP 包時拉低電平，從而形成一個時間脈沖。忽略UDP 包的網絡傳輸時間，則該時間脈沖寬度即可近似為同步方法的延遲時間。同步方法延時測試的實現流程如圖4 所示。

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　　圖4 同步方法延時測試

　　"回環模式"測試最終所得的總體鼠標延時及同步方法延時測試結果如表5 所示。

　　表5 延時測試結果

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　　4.2 同步精確度

　　KVM 測試運行12 h,并在被控機上播放MKV 視頻以增加網絡傳輸負荷。定期進行鼠標操作，且操作時間保持30 h以上。經測試評估，在絕對鼠標同步模式下，長時間使用鼠標不會出現位置偏差;在相對鼠標同步模式下，正常狀態操作鼠標不會出現位置不同步現象，但在大范圍區間內快速移動鼠標時會有約1 mm 的位置偏差，但鼠標可以在移動中自動更正重新達到重合。

　　5 結束語

　　本文提出一種快速精確的KVM 遠程鼠標同步方法。采用USB2.0 接口實現數據高速傳輸，通過加入自適應"殘差處理"和雙字節坐標表示法改進傳統相對鼠標同步方式，即實現鼠標同步方式絕對化。測試結果表明，該方法能提高鼠標定位的精準度，系統能夠更快處理鼠標事務。以后將不斷對本文方法進行優化，實現高速度與高精度更好的融合。