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

　　五、 代碼分析

　　這里，解碼的關(guān)鍵是PS2接口的時(shí)鐘信號(hào)，該時(shí)鐘為異步時(shí)鐘，我們需要通過(guò)邊沿檢測(cè)的方式來(lái)檢測(cè)其下降沿，以便根據(jù)下降沿的個(gè)數(shù)來(lái)確定每個(gè)時(shí)鐘我們因該做什么，邊沿檢測(cè)的電路，前面幾個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)講過(guò)很多次了，這里便不再做過(guò)多的解釋?zhuān)N上代碼即可：

　　以下是代碼片段：

　　reg PS2_Clk_Tmp0,PS2_Clk_Tmp1,PS2_Clk_Tmp2,PS2_Clk_Tmp3;

　　wire nedge_PS2_Clk; /*PS2從機(jī)時(shí)鐘下降沿檢測(cè)標(biāo)志信號(hào)*/

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n) begin

　　PS2_Clk_Tmp0 <= 1'b0;

　　PS2_Clk_Tmp1 <= 1'b0;

　　PS2_Clk_Tmp2 <= 1'b0;

　　PS2_Clk_Tmp3 <= 1'b0;

　　end

　　else begin

　　PS2_Clk_Tmp0 <= PS2_Clk;

　　PS2_Clk_Tmp1 <= PS2_Clk_Tmp0;

　　PS2_Clk_Tmp2 <= PS2_Clk_Tmp1;

　　PS2_Clk_Tmp3 <= PS2_Clk_Tmp2;

　　end

　　/*-------獲取PS時(shí)鐘信號(hào)的下降沿-------------*/

　　assign nedge_PS2_Clk = !PS2_Clk_Tmp0 & !PS2_Clk_Tmp1 & PS2_Clk_Tmp2 & PS2_Clk_Tmp3;

　　一個(gè)PS2的數(shù)據(jù)包總共由11位組成，因此會(huì)有11個(gè)時(shí)鐘下降沿，因此我們必須對(duì)下降沿的個(gè)數(shù)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，才能保證我們能夠解碼得到正確的數(shù)據(jù)，這里，使用我們的PS2時(shí)鐘下降沿標(biāo)志信號(hào)來(lái)使能我們的計(jì)數(shù)器自加，當(dāng)計(jì)數(shù)器加到11后，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包接收完成，將計(jì)數(shù)器清零，等待下一個(gè)下降沿的到來(lái)，相關(guān)代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　/*------------PS2時(shí)鐘下降沿個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器-----------------------*/

　　always @(posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)

　　Cnt1 <= 4'd0;

　　else if(Cnt1 == 4'd11)

　　Cnt1 <= 4'd0;

　　else if(nedge_PS2_Clk)

　　Cnt1 <= Cnt1 + 1'b1;

　　接下來(lái)，就是根據(jù)時(shí)鐘下降沿的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，來(lái)讀取對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)了，因?yàn)椴捎昧朔亲枞x值的方式，因此，PS2時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí)，此時(shí)Cnt1執(zhí)行自加1操作，但同時(shí)如果也來(lái)用Cnt1的值來(lái)確定數(shù)據(jù)位數(shù)，就一定會(huì)造成錯(cuò)誤，因?yàn)榇藭r(shí)，Cnt1的加1操作并沒(méi)有執(zhí)行，而是會(huì)在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之時(shí)才變，因此，為了保證我們使用的Cnt1的數(shù)據(jù)是已經(jīng)更新了的，我們需要在Cnt1已經(jīng)變化之后再來(lái)使用其值做判斷，即在PS2時(shí)鐘下降沿檢測(cè)成功后，滯后一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后再來(lái)讀取PS2_Din上的值，比較簡(jiǎn)單的操作方式就是將PS2時(shí)鐘下降沿檢測(cè)標(biāo)志信號(hào)再用寄存器打一拍，對(duì)應(yīng)代碼如下：

　　以下是代碼片段：

　　always @(posedge Clk)nedge_PS2_Clk_Shift <= nedge_PS2_Clk;

　　可能這里相對(duì)比較難以理解，希望大家結(jié)合仿真結(jié)果自學(xué)揣摩體會(huì)。

　　接下來(lái)就是根據(jù)Cnt1的計(jì)數(shù)值來(lái)讀取每一位的數(shù)據(jù)了，這部分代碼很簡(jiǎn)單，如下所示：

　　以下是代碼片段：

　　/*--------------讀取8位數(shù)據(jù)位---------------*/

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n)

　　Data_tmp <= 8'd0;

　　else if(nedge_PS2_Clk_Shift) begin

　　case(Cnt1)

　　4'd2:Data_tmp[0] <= PS2_Din;

　　4'd3:Data_tmp[1] <= PS2_Din;

　　4'd4:Data_tmp[2] <= PS2_Din;

　　4'd5:Data_tmp[3] <= PS2_Din;

　　4'd6:Data_tmp[4] <= PS2_Din;

　　4'd7:Data_tmp[5] <= PS2_Din;

　　4'd8:Data_tmp[6] <= PS2_Din;

　　4'd9:Data_tmp[7] <= PS2_Din;

　　default:Data_tmp <= Data_tmp;

　　endcase

　　end

　　else

　　Data_tmp <= Data_tmp;

　　通過(guò)以上操作，我們就能正確的解碼PS2鍵盤(pán)發(fā)送過(guò)來(lái)的每一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)了，但是，這些數(shù)據(jù)代表了什么呢，如果是斷碼標(biāo)志，或者是長(zhǎng)碼標(biāo)志，我們又該如何進(jìn)行操作呢，這里，小梅哥先貼上我的處理代碼：

　　以下是代碼片段：

　　always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)

　　if(!Rst_n) begin

　　Break_r <= 1'b0;

　　Key_Valve <= 10'd0;

　　Key_Flag <= 1'b0;

　　Long_Code_r <= 1'b0;

　　end

　　else if(Cnt1 == 4'd11) begin

　　if(Data_tmp == 8'hE0) /*判斷是否為長(zhǎng)碼*/

　　Long_Code_r <= 1'b1; /*將長(zhǎng)碼標(biāo)志置1*/

　　else if(Data_tmp == 8'hF0) /*判斷是否為斷碼*/

　　Break_r <= 1'b1; /*將斷碼標(biāo)志置1*/

　　else begin /*檢測(cè)到的數(shù)據(jù)為通碼*/

　　Key_Valve <= {Break_r,Long_Code_r,Data_tmp};/*將長(zhǎng)碼標(biāo)志、斷碼標(biāo)志和解碼到的按鍵碼輸出*/

　　Key_Flag <= 1'b1; /*產(chǎn)生解碼成功標(biāo)志信號(hào)*/

　　Long_Code_r <= 1'b0; /*清零長(zhǎng)碼標(biāo)志*/

　　Break_r <= 1'b0; /*清零斷碼標(biāo)志*/

　　end

　　end

　　else begin

　　Key_Valve <= Key_Valve;

　　Key_Flag <= 1'b0;

　　Break_r <= Break_r;

　　Long_Code_r <= Long_Code_r;

　　end

　　這里，小梅哥使用了兩個(gè)標(biāo)志寄存器，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)完成后，即Cnt1=11時(shí)，就對(duì)解碼到到數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果Data_tmp == 8'hE0，則解碼到到數(shù)據(jù)為長(zhǎng)碼(擴(kuò)展碼)標(biāo)志，此時(shí)便將長(zhǎng)碼標(biāo)志寄存器置1，如果Data_tmp == 8'hF0，則解碼到到數(shù)據(jù)為斷碼標(biāo)志，此時(shí)便將斷碼標(biāo)志寄存器置1。然后，當(dāng)解碼到其他數(shù)據(jù)(如單字節(jié)通碼或雙子節(jié)通碼的第二個(gè)字節(jié))后，便將解碼到的數(shù)據(jù)連同斷碼和長(zhǎng)碼標(biāo)志寄存器的狀態(tài)輸出，并給出按鍵檢測(cè)成功標(biāo)志(Key_Flag置1)。

　　六、 仿真分析

　　為了對(duì)小梅哥設(shè)計(jì)的PS2鍵盤(pán)解碼驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證，小梅哥編寫(xiě)了一個(gè)Testbench來(lái)模擬鍵盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)觀察鍵盤(pán)解碼驅(qū)動(dòng)的輸出來(lái)驗(yàn)證該解碼模塊的正確性，關(guān)于模擬鍵盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù)，在一份介紹PS2協(xié)議的手冊(cè)中有如下描述：

　　我推薦仿真鍵盤(pán)/鼠標(biāo)采用下面的過(guò)程發(fā)送一字節(jié)的數(shù)據(jù)到主機(jī)：

　　1) 等待Clock線(xiàn)為高電平， 即等待主機(jī)釋放Clock線(xiàn);

　　2) 延時(shí)50us;

　　3) 判斷Clock線(xiàn)是否為高電平?

　　No―― 跳到第1步;

　　4) Data線(xiàn)是否為高電平?

　　No―― 放棄(跳到從主機(jī)讀取字節(jié)的程序中) 。

　　5) 延遲20us，輸出起始位(0) ， 然后延遲20us， 再拉低Clock線(xiàn)保持40us后釋放Clock線(xiàn)， 形成一個(gè)脈沖;

　　6) 延時(shí)20us， 測(cè)試Clock線(xiàn)是否為高電平?No―― 跳到第1步;

　　7) 輸出第1個(gè)數(shù)據(jù)位， 然后延時(shí)20us， 再拉低Clock線(xiàn)保持40us后釋放Clock線(xiàn)， 形成一個(gè)脈沖;

　　8) 重復(fù)6-7步發(fā)送剩下的7個(gè)數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位;

　　9) 延時(shí)20us， 測(cè)試Clock線(xiàn)是否為高電平?

　　No―― 跳到第1步;

　　因此，我們的模擬鍵盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程只需要依照上面的流程來(lái)即可，這里貼上小梅哥編寫(xiě)的testbench：

　　以下是代碼片段：

　　`timescale 1ns/1ns

　　module PS2_Key_Board_Driver_tb;

　　reg Clk;/*system clock*/

　　reg Rst_n;/*復(fù)位信號(hào)*/

　　reg PS2_Din;/*PS2鍵盤(pán)數(shù)據(jù)線(xiàn)*/

　　reg PS2_Clk;/*PS2鍵盤(pán)時(shí)鐘線(xiàn)*/

　　wire Key_Flag;/*解碼得到鍵值標(biāo)志信號(hào)*/

　　wire [9:0] Key_Valve;/*解碼結(jié)果，其中最高位為通/斷碼識(shí)別位，0為通碼，1為斷碼，低八位為碼值*/

　　PS2_Key_Board_Driver u1(

　　.Clk(Clk),

　　.Rst_n(Rst_n),

　　.PS2_Din(PS2_Din),

　　.PS2_Clk(PS2_Clk),

　　.Key_Flag(Key_Flag),

　　.Key_Valve(Key_Valve)

　　);

　　initial begin

　　Clk = 1;

　　Rst_n = 0;

　　PS2_Din = 1;

　　PS2_Clk = 1;

　　#200;

　　Rst_n = 1;

　　Key_Event(8'h1A); /* Z */

　　#400;

　　Key_Event(8'h35); /* X */

　　#800;

　　Key_Event(8'h44); /* O */

　　#1320;

　　Key_Event(8'h4D); /* P */

　　#2560;

　　Key_Event(8'h24); /* E */

　　#1230;

　　Key_Event(8'h31); /* N */

　　#20000;

　　Long_Key_Event(8'h70); /* "INSERT" */

　　#400;

　　Long_Key_Event(8'h6c); /* "HOME" */

　　#800;

　　Long_Key_Event(8'h7d); /* "PAGE UP" */

　　#1320;

　　Long_Key_Event(8'h71); /* "DELETE" */

　　#2560;

　　Long_Key_Event(8'h69); /* "END" */

　　#1230;

　　Long_Key_Event(8'h7a); /* "PAGE DOWN" */

　　#2000000;

　　$stop;

　　end

　　/*---------生成工作時(shí)鐘-----------*/

　　always #10 Clk = ~Clk;

　　/*----任務(wù)：以PS2協(xié)議發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)-----*/

　　task Send_data;

　　input [7:0]Data;

　　begin

　　PS2_Din = 0; /*發(fā)送起始位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[0];/*發(fā)送第0位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[1];/*發(fā)送第1位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[2];/*發(fā)送第2位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[3];/*發(fā)送第3位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[4];/*發(fā)送第4位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[5];/*發(fā)送第5位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[6];/*發(fā)送第6位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[7];/*發(fā)送第7位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = 0;/*暫時(shí)忽略校驗(yàn)位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = 1;/*停止位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　end

　　endtask

　　/*-----任務(wù)：模擬按下按鍵的操作------*/

　　task press_key;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　Send_data(Key_Number);

　　#50000;

　　end

　　endtask

　　/*-----任務(wù)：模擬釋放按鍵的操作------*/

　　task release_key;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　Send_data(8'hF0);

　　#50000;

　　Send_data(Key_Number);

　　#50000;

　　end

　　endtask

　　/*----任務(wù)：模擬一次短碼的按下和釋放操作-----*/

　　task Key_Event;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　press_key(Key_Number);

　　#30000;

　　release_key(Key_Number);

　　end

　　endtask

　　/*----任務(wù)：模擬一次長(zhǎng)碼的按下和釋放操作-----*/

　　task Long_Key_Event;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　press_key(8'he0);

　　#30000;

　　press_key(Key_Number);

　　#30000;

　　press_key(8'he0);

　　#30000;

　　release_key(Key_Number);

　　end

　　endtask

　　endmodule

　　testbench中使用了一個(gè)主任務(wù)來(lái)模擬鍵盤(pán)的數(shù)據(jù)發(fā)送，并使用了其他幾個(gè)基于此任務(wù)的任務(wù)來(lái)模擬按鍵按下、按鍵釋放、普通按鍵按下+釋放、擴(kuò)展按鍵按下+釋放的過(guò)程，通過(guò)模擬進(jìn)行部分按鍵的按下和釋放操作，來(lái)觀察解碼模塊的結(jié)果，便可獲知解碼是否成功。

　　以下為小梅哥的仿真結(jié)果，與我發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，因此表明我的PS2解碼是成功的。

　　七、 下板驗(yàn)證

　　這里，小梅哥在至芯科技ZX2的板子上驗(yàn)證通過(guò)，如下圖：

　　其中，第三個(gè)數(shù)碼管，為0表示普通按鍵通碼，為2表示普通按鍵斷碼，為1表示擴(kuò)展按鍵通碼，為3表示擴(kuò)展按鍵斷碼。