一个键盘三台电脑：用 nRF52840 自制 Unifying 无线 KVM
背景
我有一把 ikbc c87 的有线键盘，服役好多年了一直没坏，没动力换把新的。
但是我经常要在不同的设备间切换：PC / 树莓派 / MBP。每次都将线插来插去的，很麻烦。
尝试弄了一个有线的 usb 切换器：
以为能彻底解决问题，结果发现桌面上多了很多线：
- 每个设备 1 条线 x 3
- 供电线 x1
- 切换按钮线 x1
这也太不优雅了吧。
无线键盘协议
无线键盘主要有两种传输形式：蓝牙 和 2.4G 私有协议。
蓝牙的问题：容易被干扰、多设备切换慢（经常要等好几秒才连上）、需要目标电脑有蓝牙。
2.4G 私有协议各家有自己的方案。我的鼠标是罗技的，用的是优联（Unifying）接收器。优联接收器最多支持 6 个设备，插到电脑上就是即插即用，不需要装驱动。
那能不能模拟一个优联键盘，把有线键盘变成无线的呢？
优联协议
Logitech Unifying 是罗技在 2009 年推出的 2.4GHz 无线协议。一个接收器配对最多 6 个设备（键盘、鼠标、触控板），设备端用的是 Nordic 的 nRF24 系列芯片。
看到社区已经有成熟的研究和方案实现：
decrazyo/unifying: FOSS re-implementation of the Logitech Unifying protocol
在Arduino + nRF24L01 上跑通了完整的配对和加密键击
我基于它用 Rust 的 embedded 生态重写了协议层（rust-unifying），架构上做了硬件无关的抽象：
graph TD
A[UnifyingDevice 协议状态机] --> B[trait UnifyingRadio]
A --> C[trait Clock]
A --> D[trait AesEncryptor]
B --> E[nRF24L01 / SPI]
B --> F[nRF52840 / 片上射频]
C --> G[std::time / embassy-time]
D --> H[aes + ctr crate]协议逻辑（配对握手、AES 密钥派生、加密键击、保活、HID++ 应答）全部封在 UnifyingDevice 里，只通过三个 trait 触及硬件。这为后面的迁移省了大量工作——换硬件只需要重新实现一个 trait。
这套方案我在 树莓派 GPIO + nRF24L01上面跑通了，实现了配对和键盘输入，完整模拟了键盘的行为。
但 nRF24L01 跟 树莓派 SPI 通讯用的是杜邦线接起来的，不太稳定且不优雅。
迁移到 nRF52840 片上射频
nRF52840 的片上 2.4GHz RADIO 可以配置成与 nRF24L01+ 完全兼容的 ESB 模式
要是能实现一块 U 盘大小的 nRF52840 直接插在 树莓派 的 USB 口，整洁多了。
手写 ESB 驱动
现有的 esb crate（2020 年）跟 embassy 的 PAC 版本冲突，没法直接用。
所以我对着 nRF52840 的 PAC 手写了一个最小的 ESB PTX（主发射端）驱动。主要配置：
- 2Mbit Nordic 私有模式
- 6-bit 长度字段 + 3-bit S1（PID + no_ack）
- CRC-16（多项式 0x11021，初值 0xFFFF）
- 大端、关闭白化
最难的点是确定地址编码。nRF52 的 BASE/PREFIX 拆分方式、字节序、位序都跟 nRF24L01+ 不一样，有好几种”看似合理”的组合。
靠猜 + 重刷来试错太慢（每轮编译+OTA 要 3 分钟）。我换了个思路：
编译一份包含四种候选编码的固件，通过诊断命令让其在配对信道上轮流发送，并统计各自收到的 ACK 数量。
最终，编码 1 收到了 ACK，其余全为 0
保活
优联连接靠心跳包维持跳频同步。真实键盘每 ~20ms 发一个保活包，几秒不发接收器就判定设备掉线，之后即使重连成功也要重新建立信道同步。
刚开始 AI 的思路是”断了就重连”——发送失败后调 connect() 重新扫频。结果越改越差：多轮重试互相打断接收器正在重建的同步，成功率反而更低。方向错了，补丁打得越多越烂。
正确方向是从源头就不让它断：用 embassy 的 select(read_packet, Timer::after(8ms))，在等命令的间隙持续发保活包，跟真实键盘一样一直维持连接。
端到端验证
将 nRF52840 和优联接收器都插入树莓派，让 opencode 在树莓派上面自己一直调试，跑了一个晚上跑通了：
原生射频 → 配对 → AES 密钥派生 → 加密键击 → 接收器解密 → HID 注入。
上位机：KVM 转发器
固件通过 USB-CDC 串口暴露命令接口。上位机是一个 Python 脚本，用 evdev 抓取物理键盘，把每个按键状态变化转成 UKEYDOWN 命令转发给 nRF52。
架构
graph LR
KB[物理键盘] -->|evdev grab| KVM[kvm.py]
KVM -->|CDC 串口| NRF[nRF52840]
NRF -->|ESB 2.4GHz| RX1[接收器 PC]
NRF -->|ESB 2.4GHz| RX2[接收器 Mac]
KVM -->|uinput| LOCAL[Pi 本机]
SL[Scroll Lock] -.->|切换| KVM多设备切换
Scroll Lock 这个按键和对应的指示灯应该是键盘上最摸鱼的部分了，把它们利用起来，作为目标设备切换和状态指示：
按 Scroll Lock 循环切换目标（PC → 本机 → Mac → PC …）。切换时 Scroll Lock 灯闪烁指示当前目标（1闪=PC，2闪=本机，3闪=Mac）。
固件支持 4 个独立的配对 slot，可以在 4 个设备中循环切换
持久化与防重放
优联用 AES-128-CTR 加密键击，每帧的 counter 单调递增。接收器记住见过的最大 counter，拒绝任何不大于它的帧（防重放）。
真实罗技键盘用电池供电，一直有电的设备，counter 放在 RAM 里问题不大；但我们的方案是 USB 供电，断电重启很常见，所以必须考虑 counter 持久化。
三重保护：
- 启动前跳 +512：每次从 flash 加载 counter 后立即加 512。即使断电前有未存的增量，跳 512 也能解决一大部分问题
- 每 128 帧存一次：正常打字约每 10-30 秒触发一次写入，flash 磨损可以接受
- POFCON 掉电紧急存：VDD 跌破 2.7V 时触发中断，具体没测电容能顶多久，应该几百微秒的窗口是有的，够写 32 字节记录。
为减少 flash 磨损，存储用追加式日志：一页 4K 分成 128 个槽位，每次追加一条，写满才擦页。
最终效果
graph TD
KB[物理键盘 ikbc c87] -->|USB| PI[树莓派 + nRF52840 dongle]
PI -->|2.4GHz ESB| PC[PC]
PI -->|2.4GHz ESB| MAC[MacBook]
PI -->|uinput| LOCAL[Pi 本机]
SL[Scroll Lock] -.->|循环切换| PI现在桌面终于清爽多了。
键盘只插在树莓派上，PC 和 Mac 各插一个优联接收器。平时想切到哪台机器，就按一下 Scroll Lock：闪一下是 PC，闪两下是树莓派本机，闪三下是 Mac。切完之后直接打字，目标机器那边就像接了一把普通罗技键盘一样。
用了几天，感觉已经可以当日常工具用了。切换目标不到 300ms；打字延迟大概 3–8ms，反正我自己感觉不出来。上位机用 epoll 等键盘事件，不做轮询，所以 CPU 占用基本可以忽略。
整套系统都是复用手边的材料：长期吃灰的树莓派、nRF52840 dongle，再加两个现成的优联接收器。物料成本忽略不计，当然，真要算时间成本 / AI Agent 成本的话就另说了（
复现
硬件清单：
- 任意Linux 机器，带 usb 就行
- nRF52840 开发板/dongle（支持 USB CDC）
- Logitech Unifying 接收器，每台远程电脑一个
1 | # 克隆项目 |
写在最后
整个项目的代码量不大（固件 ~800 行 Rust，KVM ~400 行 Python），但涉及的层次很多：USB CDC、embedded Rust、射频协议、AES 加密、flash 持久化、Linux evdev/uinput、systemd。最有意思的部分是射频层——把一个”不确定正确编码”的问题塞进一份固件让硬件投票，以及从”事后自愈”走错路到”源头保活”的认知转折。
三个仓库都在 GitHub 上,欢迎 star / issue:
- nrf52-unifying — nRF52840 固件
- nrf52-rs-scaffold — nRF52840 embassy + embassy-boot 脚手架
- unifying-kvm — 键盘 KVM 转发器
本项目仅供个人学习和自用设备互操作。Logitech、Unifying 是罗技的注册商标。协议细节参考自公开的安全研究文献。