PS/2接口協(xié)議解析及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：PS/2接口；串行通訊；單片機；鍵盤；CD4052

１ ＰＳ／２接口標準的發(fā)展過程

隨著計算機工業(yè)的發(fā)展，作為計算機最常用輸入設(shè)備的鍵盤也日新月異。１９８１年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＰＣ／ＸＴ鍵盤及其接口標準。該標準定義了８３鍵，采用５腳ＤＩＮ連接器和簡單的串行協(xié)議。實際上，第一套鍵盤掃描碼集并沒有主機到鍵盤的命令。為此，１９８４年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＡＴ鍵盤接口標準。該標準定義了８４～１０１鍵，采用５腳ＤＩＮ連接器和雙向串行通訊協(xié)議，此協(xié)議依照第二套鍵盤掃描碼集設(shè)有８個主機到鍵盤的命令。到了１９８７年，ＩＢＭ又推出了ＰＳ／２鍵盤接口標準。該標準仍舊定義了８４～１０１鍵，但是采用６腳ｍｉｎｉ－ＤＩＮ連接器，該連接器在封裝上更小巧，仍然用雙向串行通訊協(xié)議并且提供有可選擇的第三套鍵盤掃描碼集，同時支持１７個主機到鍵盤的命令?，F(xiàn)在，市面上的鍵盤都和ＰＳ／２及ＡＴ鍵盤兼容，只是功能不同而已。

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２．１ 物理連接器

一般，具有五腳連接器的鍵盤稱之為ＡＴ鍵盤，而具有六腳ｍｉｎｉ－ＤＩＮ連接器的鍵盤則稱之為ＰＳ／２鍵盤。其實這兩種連接器都只有四個腳有意義。它們分別是Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）、Ｄａｔａ?數(shù)據(jù)腳?、＋５Ｖ（電源腳）和Ｇｒｏｕｎｄ（電源地）。在ＰＳ／２鍵盤與ＰＣ機的物理連接上只要保證這四根線一一對應(yīng)就可以了。ＰＳ／２鍵盤靠ＰＣ的ＰＳ／２端口提供＋５Ｖ電源，另外兩個腳Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）和Ｄａｔａ?數(shù)據(jù)腳?都是集電極開路的，所以必須接大阻值的上拉電阻。它們平時保持高電平，有輸出時才被拉到低電平，之后自動上浮到高電平。現(xiàn)在比較常用的連接器如圖１所示。

２．２ 電氣特性

ＰＳ／２通訊協(xié)議是一種雙向同步串行通訊協(xié)議。通訊的兩端通過Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）同步，并通過Ｄａｔａ（數(shù)據(jù)腳）交換數(shù)據(jù)。任何一方如果想抑制另外一方通訊時，只需要把Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）拉到低電平。如果是ＰＣ機和ＰＳ／２鍵盤間的通訊，則ＰＣ機必須做主機，也就是說，ＰＣ機可以抑制ＰＳ／２鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，而ＰＳ／２鍵盤則不會抑制ＰＣ機發(fā)送數(shù)據(jù)。一般兩設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的最大時鐘頻率是３３ｋＨｚ，大多數(shù)ＰＳ／２設(shè)備工作在１０～２０ｋＨｚ。推薦值在１５ｋＨｚ左右，也就是說，Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）高、低電平的持續(xù)時間都為４０μｓ。每一數(shù)據(jù)幀包含１１～１２個位，具體含義如表１所列。

表1 數(shù)據(jù)幀格式說明

表中，如果數(shù)據(jù)位中１的個數(shù)為偶數(shù)，校驗位就為１；如果數(shù)據(jù)位中１的個數(shù)為奇數(shù)，校驗位就為０；總之，數(shù)據(jù)位中１的個數(shù)加上校驗位中１的個數(shù)總為奇數(shù)，因此總進行奇校驗。

２．３ ＰＳ／２設(shè)備和ＰＣ機的通訊

ＰＳ／２設(shè)備的Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）和Ｄａｔａ?數(shù)據(jù)腳?都是集電極開路的，平時都是高電平。當ＰＳ／２設(shè)備等待發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先檢查Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）以確認其是否為高電平。如果是低電平，則認為是ＰＣ機抑制了通訊，此時它必須緩沖需要發(fā)送的數(shù)據(jù)直到重新獲得總線的控制權(quán)（一般ＰＳ／２鍵盤有１６個字節(jié)的緩沖區(qū)，而ＰＳ／２鼠標只有一個緩沖區(qū)僅存儲最后一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)）。如果Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）為高電平，ＰＳ／２設(shè)備便開始將數(shù)據(jù)發(fā)送到ＰＣ機。一般都是由ＰＳ／２設(shè)備產(chǎn)生時鐘信號。發(fā)送時一般都是按照數(shù)據(jù)幀格式順序發(fā)送。其中數(shù)據(jù)位在Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）為高電平時準備好，在Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）的下降沿被ＰＣ機讀入。ＰＳ／２設(shè)備到ＰＣ機的通訊時序如圖２所示。

當時鐘頻率為１５ｋＨｚ時，從Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）的上升沿到數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)變時間至少要５μｓ。數(shù)據(jù)變化到Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）下降沿的時間至少也有５ μｓ，但不能大于２５ μｓ，這是由ＰＳ／２通訊協(xié)議的時序規(guī)定的。如果時鐘頻率是其它值，參數(shù)的內(nèi)容應(yīng)稍作調(diào)整。

上述討論中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是指對特定鍵盤的編碼或者對特定命令的編碼。一般采用第二套掃描碼集所規(guī)定的碼值來編碼。其中鍵盤碼分為通碼（Ｍａｋｅ）和斷碼（Ｂｒｅａｋ）。通碼是按鍵接通時所發(fā)送的編碼，用兩位十六進制數(shù)來表示，斷碼通常是按鍵斷開時所發(fā)送的編碼，用四位十六進制數(shù)來表示。

３ ＰＳ／２接口的嵌入式軟件編程方法

ＰＳ／２設(shè)備主要用于產(chǎn)生同步時鐘信號和讀寫數(shù)據(jù)。

３．１ ＰＳ／２向ＰＣ機發(fā)送一個字節(jié)

從ＰＳ／２向ＰＣ機發(fā)送一個字節(jié)可按照下面的步驟進行：

(１)檢測時鐘線電平，如果時鐘線為低，則延時５０μｓ；

(２)檢測判斷時鐘信號是否為高，為高，則向下執(zhí)行，為低，則轉(zhuǎn)到(１)；

(３)檢測數(shù)據(jù)線是否為高，如果為高則繼續(xù)執(zhí)行，如果為低，則放棄發(fā)送（此時ＰＣ機在向ＰＳ／２設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，所以ＰＳ／２設(shè)備要轉(zhuǎn)移到接收程序處接收數(shù)據(jù)）；

(４)延時２０μｓ（如果此時正在發(fā)送起始位，則應(yīng)延時４０μｓ）；

（５）輸出起始位（０）到數(shù)據(jù)線上。這里要注意的是：在送出每一位后都要檢測時鐘線，以確保ＰＣ機沒有抑制ＰＳ／２設(shè)備，如果有則中止發(fā)送；

（６）輸出８個數(shù)據(jù)位到數(shù)據(jù)線上；

（７）輸出校驗位；

（８）輸出停止位（１）；

（９）延時３０μｓ（如果在發(fā)送停止位時釋放時鐘信號則應(yīng)延時５０μｓ）；

通過以下步驟可發(fā)送單個位：

（１）準備數(shù)據(jù)位（將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)位放到數(shù)據(jù)線上）；

（２）延時２０μｓ；

（３）把時鐘線拉低；

（４）延時４０μｓ；

（５）釋放時鐘線；

（６）延時２０μｓ。

３．２ ＰＳ／２設(shè)備從ＰＣ機接收一個字節(jié)

由于ＰＳ／２設(shè)備能提供串行同步時鐘，因此，如果ＰＣ機發(fā)送數(shù)據(jù)，則ＰＣ機要先把時鐘線和數(shù)據(jù)線置為請求發(fā)送的狀態(tài)。ＰＣ機通過下拉時鐘線大于１００μｓ來抑制通訊，并且通過下拉數(shù)據(jù)線發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號，然后釋放時鐘。當ＰＳ／２設(shè)備檢測到需要接收的數(shù)據(jù)時，它會產(chǎn)生時鐘信號并記錄下面８個數(shù)據(jù)位和一個停止位。主機此時在時鐘線變?yōu)榈蜁r準備數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線，并在時鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)。而ＰＳ／２設(shè)備則要配合ＰＣ機才能讀到準確的數(shù)據(jù)。具體連接步驟如下：

（１）等待時鐘線為高電平。

（２）判斷數(shù)據(jù)線是否為低，為高則錯誤退出，否則繼續(xù)執(zhí)行。

（３）讀地址線上的數(shù)據(jù)內(nèi)容，共８個ｂｉｔ，每讀完一個位，都應(yīng)檢測時鐘線是否被ＰＣ機拉低，如果被拉低則要中止接收。

（４）讀地址線上的校驗位內(nèi)容，１個ｂｉｔ。

（５）讀停止位。

（６）如果數(shù)據(jù)線上為０（即還是低電平），ＰＳ／２設(shè)備繼續(xù)產(chǎn)生時鐘，直到接收到１且產(chǎn)生出錯信號為止（因為停止位是１，如果ＰＳ／２設(shè)備沒有讀到停止位，則表明此次傳輸出錯）。

（７ 輸出應(yīng)答位。

（８） 檢測奇偶校驗位，如果校驗失敗，則產(chǎn)生錯誤信號以表明此次傳輸出現(xiàn)錯誤。

（９）延時４５ μｓ，以便ＰＣ機進行下一次傳輸。

讀數(shù)據(jù)線的步驟如下：

（１）延時２０μｓ；

（２）把時鐘線拉低?

（３）延時４０μｓ?

（４）釋放時鐘線?

（５）延時２０μｓ?

（６）讀數(shù)據(jù)線。

下面的步驟可用于發(fā)出應(yīng)答位；

（１）延時１５μｓ；

（２）把數(shù)據(jù)線拉低；

（３）延時５μｓ；

（４）把時鐘線拉低；

（５）延時４０μｓ；

（６）釋放時鐘線；

（７）延時５μｓ；

（８）釋放數(shù)據(jù)線。

４　用于工控機的雙鍵盤設(shè)計

工控機通常要接標準鍵盤，但是為了方便操作，常常需要外接一個專用鍵盤。此實例介紹了在工控ＰＣ機到ＰＳ／２總線上再接入一個自制專用鍵盤的應(yīng)用方法。

該設(shè)計應(yīng)能保證兩個鍵盤單獨工作，而且相互不能影響。因此，不能直接把專用鍵盤和標準鍵盤一起接到工控ＰＣ的ＰＳ／２口。鑒于這種情況，本設(shè)計使用模擬開關(guān)ＣＤ４０５２并通過時分復用工控ＰＣ的ＰＳ／２口，來使在同一個時刻只有一個鍵盤有效，從而解決上述問題。其硬件原理圖如圖３所示。其中Ｐ２口和Ｐ１口用于鍵盤掃描電路（圖中未畫出），Ｐ０．０為數(shù)據(jù)端，Ｐ０．１為時鐘端，Ｐ０．２為模擬開關(guān)選通端。由于專用鍵盤不需要接收工控ＰＣ機的命令，所以軟件中并不需要寫這部分相應(yīng)的代碼。

通過軟件可在專用鍵盤復位后把Ｐ０．２清０，以使模擬開關(guān)ＣＤ４０５２打開相應(yīng)的通道。這時工控ＰＣ的標準鍵盤將開始工作。標準鍵盤可以完成工控ＰＣ剛啟動時對外設(shè)檢測的應(yīng)答。復位后的專用鍵盤不停地掃描有沒有按鍵，如果有鍵按下則識別按鍵，并且按照預(yù)先的設(shè)計進行編碼，同時調(diào)用發(fā)送程序并通過ＰＳ／２口發(fā)送到工控ＰＣ。此時模擬開關(guān)關(guān)閉相應(yīng)通道（將Ｐ０．２置１），專用鍵盤接入工控ＰＣ ＰＳ／２口的時鐘線和數(shù)據(jù)線而工作，但標準鍵盤被模擬開關(guān)從ＰＳ／２的時鐘線和數(shù)據(jù)線中斷而不工作，這樣，雙鍵盤便可時分復用同一個工控ＰＣ機的ＰＳ／２口。相應(yīng)的發(fā)送子程序如下：

＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ Ｐ００ 用Ｐ０．０做數(shù)據(jù)線

＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＬＫ Ｐ０１ 用Ｐ０．１做時鐘線

＃ｄｅｆｉｎｅ ＩＮＨＩＢＩＴ Ｐ０２ 用Ｐ０．２做ＣＤ４０５２的ＩＮＨ端

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＲ Ｐ１ 用Ｐ１口做讀入口

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＷ Ｐ２ 用Ｐ２口做寫出口 可以實現(xiàn)６４個自定義鍵

ｖｏｉｄ ｓｅｎｄ（ｕｃｈａｒ ｘ）／＊＊＊ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅｎｄ ａ ｃｈａｒ ｄａ-ｔａ＊＊＊／

{

ｕｃｈａｒ ｉ,ｔｅｍｐ,ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ;

ｂｉｔ ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ＝１;

ＩＮＨＩＢＩＴ＝１;／／ｄｉｓａｂｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋｅｙｂｏａｒｄ

ｄｅｌａｙ_ ｍｓ(３);

ｔｅｍｐ＝ｘ;

ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜８;ｉ＋＋)／／ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ １ ｉｎ ｔｈｉｓ ｕｃｈａｒ ｘ ｉｓ ｏｄｄ ｏｒ ｎｏｔ

{

ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ０１;

ｉｆ(ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝＝０ｘ０１)

{

ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ＝!ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ;

}

ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＞＞１;

}

ＣＬＫ＝１;／／ｓｅｎｄ １ ｔｏ Ｐ１ ｔｈｅｎ ｒｅａｄ Ｐ１

ｗｈｉｌｅ (!ＣＬＫ) ／／ｉｆ ＣＬＫ ｉｓ ｌｏｗ ｗａｉｔ

{

;

}

ＣＬＫ＝１;ＤＡＴＡ＝１;／／ｓｅｎｄ １ ｔｏ Ｐ１ ｔｈｅｎ ｒｅａｄ Ｐ１

ｉｆ(ＣＬＫ＝＝１)

{

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(３０);／／

}

ｉｆ(ＣＬＫ＝＝１＆＆ＤＡＴＡ＝＝１)／／ｓｅｎｄ ｄａｔａ

{

ＤＡＴＡ＝０;／／ｓｔａｒｔ ｂｉｔ ０

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(１０);

ＣＬＫ＝０;

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);／／

ｔｅｍｐ＝ｘ;

ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜８;ｉ＋＋)／／ｓｅｎｄ ８ ｂｉｔｓ ＬＳＢｆｉｒｓｔ

{

ＣＬＫ＝１;

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);

ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ０１;

ｉｆ(ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝＝０ｘ０１)

{

ＤＡＴＡ＝１;

}

ｅｌｓｅ

{

ＤＡＴＡ＝０;

}

／／ＤＡＴＡ＝(ｂｉｔ)(ｔｅｍｐ＆０ｘ０１);

／／ＬＳＢ

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(１０);

ＣＬＫ＝０;

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);

ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＞＞１;

}

ＣＬＫ＝１;／／ｓｅｎｄ ｃｈｅｃｋ ｂｉｔ

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);?

ＤＡＴＡ＝ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ;

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(１０);?

ＣＬＫ＝０;

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５)

ＣＬＫ＝１;／／ｓｅｎｄ ｓｔｏｐ ｂｉｔ

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);?

ＤＡＴＡ＝１;

ｄｅｌａｙ ｕｓ?１０??

ＣＬＫ＝０?

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);?

ＣＬＫ＝１;

ｄｅｌａｙ_ｕｓ(３０);? ?

ＣＬＫ＝１;ＤＡＴＡ＝１;／／ｓｅｎｄ １ ｔｏ Ｐ１ ｔｈｅｎ ｒｅａｄ Ｐ１

ｉｆ(ＣＬＫ＝＝１＆＆ＤＡＴＡ＝＝０)

{

ｒｅｔｕｒｎ; ／／ｐｃ ｉｓ ｓｅｎｄｉｎｇ ｄａｔａ ｔｏ ｍｃｕ, ｇｏ ｔｏ

ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ

}

ＩＮＨＩＢＩＴ＝０; ／／ｅｎａｂｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋｅｙｂｏａｒｄ

}

５　結(jié)論

ＰＳ／２接口協(xié)議是現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤、鼠標與ＰＣ機通訊的標準協(xié)議。其中鼠標對ＰＣ機的通訊更為簡單，只是傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容不一樣而已。充分理解ＰＳ／２接口協(xié)議，可以幫助設(shè)計者自主開發(fā)一些工控機上的專用鍵盤等外設(shè)，并能夠按照用戶的要求開發(fā)出專用的多功能鍵盤。該工控機的雙鍵盤設(shè)計目前已被某工控公司所采納，并已作為組件加入到產(chǎn)品當中。