小梅哥和你一起深入學(xué)習(xí)FPGA之PS2鍵盤驅(qū)動(dòng)

　　實(shí)現(xiàn)采用PS2協(xié)議的PC機(jī)鍵盤的解碼，最終將PS2鍵盤作為FPGA系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備。

　　二、 實(shí)驗(yàn)原理

　　PS2鍵盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我們不需要過多的去關(guān)注，我們只需要關(guān)心其接口協(xié)議，正確的解碼其發(fā)送過來的按鍵信息即可，至于解碼到的按鍵信息該怎么處理，不同的應(yīng)用有不同的處理方式，這里就不做過多的介紹。PS2協(xié)議的簡單描述如下：

　　PS2協(xié)議總共由兩根線組成，一根時(shí)鐘線和一根數(shù)據(jù)線。這里我們將采用PS2協(xié)議的鍵盤稱為從機(jī)，將控制和解碼PS2協(xié)議的一方成為主機(jī)，生活中最常見的主機(jī)便是我們的PC機(jī)。PS2總線協(xié)議的兩根線中，時(shí)鐘線傳輸時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘信號(hào)始終由從機(jī)，即鍵盤產(chǎn)生。PS2協(xié)議發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)總共有11位，分別為

　　1位起始位

　　8位數(shù)據(jù)位

　　1位校驗(yàn)位

　　1位停止位

　　PS2從機(jī)發(fā)送一個(gè)完整數(shù)據(jù)包的時(shí)序圖如下所示：

　　圖2-1 PS2從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序圖

　　相信熟悉UART協(xié)議的同學(xué)一眼就能看出來，PS2協(xié)議和我們最熟悉的UART通信協(xié)議非常相似，那么我們的工作就簡單了，既然鍵盤按照這個(gè)協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，我們FPGA作為主機(jī)，只需要正確的實(shí)現(xiàn)該協(xié)議的解碼，將其中的8位數(shù)據(jù)位讀取出來即可。由圖可知，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的下降沿處是穩(wěn)定的，因此我們只需要去捕獲時(shí)鐘信號(hào)的下降沿，并在檢測到這個(gè)下降沿時(shí)去讀取數(shù)據(jù)線上的電平，就能夠正確的讀到數(shù)據(jù)。

　　以上是PS2協(xié)議中從機(jī)到主機(jī)的一個(gè)通訊過程，實(shí)際在PS2協(xié)議中，包含了從機(jī)到主機(jī)和主機(jī)到從機(jī)的通信時(shí)序，只是在我們進(jìn)行PS2鍵盤的解碼時(shí)，可以不需要進(jìn)行主機(jī)到從機(jī)的通信，因此這部分內(nèi)容小梅哥就不在這里講解了，如果大家以后要解碼PS2鼠標(biāo)的話，就會(huì)用到主機(jī)到從機(jī)的通信了。

　　上面只是簡單的介紹了PS2從機(jī)到主機(jī)的通信協(xié)議，我們知道了鍵盤是一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的，但是，每個(gè)字節(jié)代表了什么內(nèi)容呢，我們還需要對照鍵盤編碼對照表來查看。

　　鍵盤掃描碼分為第一套掃描碼、第二套掃描碼和第三套掃描碼，我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷膾呙璐a絕大多數(shù)采用第二套掃描碼，因此這里小梅哥就只附上第二套掃描碼的內(nèi)容。

　　實(shí)際一個(gè)按鍵由按下到釋放時(shí)鍵盤將按照如下的規(guī)定往主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)：

　　只要一個(gè)鍵被按下，這個(gè)鍵的通碼(MAKE)就被發(fā)送到計(jì)算機(jī)。通碼只表示鍵盤上的一個(gè)按鍵，它不表示印刷在按鍵上的那個(gè)字符。 這就意味著在通碼和ASCII碼之間沒有已定義好的關(guān)聯(lián)， 直到主機(jī)把掃描碼翻譯成一個(gè)字符或命令。

　　雖然多數(shù)第二套通碼都只有一個(gè)字節(jié)寬，但也有少數(shù)“ 擴(kuò)展按鍵”的通碼是兩字節(jié)或四字節(jié)寬，這類的通碼第一個(gè)字節(jié)總是為E0H(如“END”、“HOME”……)。正如鍵按下通碼就被發(fā)往計(jì)算機(jī)一樣， 只要鍵一釋放， 斷碼就會(huì)被發(fā)送。每個(gè)鍵都有它自己唯一的通碼，它們也都有唯一的斷碼。 幸運(yùn)的是，你不用總是通過查表來找出按鍵的斷碼―― 在通碼和斷碼之間存在著必然的聯(lián)系。 多數(shù)第二套斷碼有兩字節(jié)長，它們的第一個(gè)字節(jié)是F0H， 第二個(gè)字節(jié)是這個(gè)鍵的通碼。

　　例如，當(dāng)我們按下鍵盤上的“A”鍵時(shí)，鍵盤就會(huì)往主機(jī)發(fā)送”A”鍵對應(yīng)的通碼(MAKE)”1C”,如果你一直按下這個(gè)按鍵不釋放，那么在一個(gè)短暫的延時(shí)之后，鍵盤會(huì)再次開始，以一定的速率持續(xù)向主機(jī)發(fā)送”1C“，直到該按鍵被釋放。在該按鍵被釋放后，鍵盤將會(huì)向主機(jī)發(fā)送“A ”的斷碼(Break)，即首先發(fā)送“F0”，然后下一個(gè)字節(jié)再馬上發(fā)送“1C”。

　　如果我們按下的是“END”、“PAGE UP”等擴(kuò)展按鍵時(shí)，會(huì)怎么樣呢?這里，以”END”鍵舉例。當(dāng)”END“鍵被按下后，鍵盤會(huì)首先向主機(jī)發(fā)送“E0”，發(fā)送完成后，又會(huì)接著發(fā)送下一個(gè)字節(jié)“69”，釋放時(shí)也與前面的普通按鍵類似，先發(fā)送“E0”，然后發(fā)送“F0”，最后再發(fā)送“69”。

　　由上述分析可知，我們FPGA在解碼到一次數(shù)據(jù)后，還需要對這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，判斷該數(shù)據(jù)是否為斷碼標(biāo)志“F0”以及擴(kuò)展碼標(biāo)志”E0“。

　　三、 硬件設(shè)計(jì)

　　PS2電路結(jié)構(gòu)簡單，因此這里就略去。

　　四、 架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本實(shí)驗(yàn)我們進(jìn)行PS2鍵盤的解碼實(shí)驗(yàn)，并將解碼到的結(jié)果顯示在數(shù)碼管上，同時(shí)，為了使我們更加直觀的感受到按鍵被按下和釋放，小梅哥在這里增加了一個(gè)蜂鳴器，當(dāng)有按鍵按下或釋放(包括長按時(shí)每接收到一個(gè)通碼)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出一個(gè)短暫的響聲，來反饋給操作者，讓我們知道我們的解碼模塊解碼到了按鍵信息。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

　　圖4-1 led實(shí)驗(yàn)?zāi)K組織結(jié)構(gòu)圖

　　詳細(xì)端口名及其意義如下

　　表4-1 獨(dú)立按鍵檢測實(shí)驗(yàn)端口說明

　　因?yàn)榇嬖谀K間的連接，因此有部分內(nèi)部信號(hào)，下表為內(nèi)部信號(hào)的名稱和功能說明

　　表4-2 獨(dú)立按鍵檢測實(shí)驗(yàn)內(nèi)部信號(hào)說明