小梅哥和你一起深入學習FPGA之PS2鍵盤驅動
在我們的電子系統(tǒng)中,當需要用到大量的按鍵輸入時,普通的獨立按鍵和矩陣鍵盤已經無法滿足我們的輸入需求,這個時候,我們需要使用一種功能更加強大的鍵盤,來幫助我們輸入更多的信息。在pc機上,我們經常使用104鍵的鍵盤,這種鍵盤與pc機的接口,可分為USB接口和PS2接口,我們FPGA要實現(xiàn)USB接口比較困難,因為USB的接口線路,不是標準的TTL電平,而PS2接口,則使用標準的TTL電平,那么我們今天就使用FPGA來解碼驅動一個采用PS2接口的pc機鍵盤,用這個鍵盤來擴展我們FPGA的輸入系統(tǒng),以使我們能夠方便的輸入更多的信息。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/278903.htm一、 實驗目的
實現(xiàn)采用PS2協(xié)議的PC機鍵盤的解碼,最終將PS2鍵盤作為FPGA系統(tǒng)的一個標準輸入設備。
二、 實驗原理
PS2鍵盤的內部結構我們不需要過多的去關注,我們只需要關心其接口協(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,一根時鐘線和一根數據線。這里我們將采用PS2協(xié)議的鍵盤稱為從機,將控制和解碼PS2協(xié)議的一方成為主機,生活中最常見的主機便是我們的PC機。PS2總線協(xié)議的兩根線中,時鐘線傳輸時鐘信號,該時鐘信號始終由從機,即鍵盤產生。PS2協(xié)議發(fā)送一個字節(jié)的數據總共有11位,分別為
1位起始位
8位數據位
1位校驗位
1位停止位
PS2從機發(fā)送一個完整數據包的時序圖如下所示:

圖2-1 PS2從機發(fā)送數據時序圖
相信熟悉UART協(xié)議的同學一眼就能看出來,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,既然鍵盤按照這個協(xié)議發(fā)送數據,我們FPGA作為主機,只需要正確的實現(xiàn)該協(xié)議的解碼,將其中的8位數據位讀取出來即可。由圖可知,數據在時鐘的下降沿處是穩(wěn)定的,因此我們只需要去捕獲時鐘信號的下降沿,并在檢測到這個下降沿時去讀取數據線上的電平,就能夠正確的讀到數據。
以上是PS2協(xié)議中從機到主機的一個通訊過程,實際在PS2協(xié)議中,包含了從機到主機和主機到從機的通信時序,只是在我們進行PS2鍵盤的解碼時,可以不需要進行主機到從機的通信,因此這部分內容小梅哥就不在這里講解了,如果大家以后要解碼PS2鼠標的話,就會用到主機到從機的通信了。
上面只是簡單的介紹了PS2從機到主機的通信協(xié)議,我們知道了鍵盤是一個字節(jié)一個字節(jié)的往主機發(fā)送數據的,但是,每個字節(jié)代表了什么內容呢,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,我們日常生活中常見的掃描碼絕大多數采用第二套掃描碼,因此這里小梅哥就只附上第二套掃描碼的內容。
實際一個按鍵由按下到釋放時鍵盤將按照如下的規(guī)定往主機發(fā)送數據:
只要一個鍵被按下,這個鍵的通碼(MAKE)就被發(fā)送到計算機。通碼只表示鍵盤上的一個按鍵,它不表示印刷在按鍵上的那個字符。 這就意味著在通碼和ASCII碼之間沒有已定義好的關聯(lián), 直到主機把掃描碼翻譯成一個字符或命令。
雖然多數第二套通碼都只有一個字節(jié)寬,但也有少數“ 擴展按鍵”的通碼是兩字節(jié)或四字節(jié)寬,這類的通碼第一個字節(jié)總是為E0H(如“END”、“HOME”……)。正如鍵按下通碼就被發(fā)往計算機一樣, 只要鍵一釋放, 斷碼就會被發(fā)送。每個鍵都有它自己唯一的通碼,它們也都有唯一的斷碼。 幸運的是,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。 多數第二套斷碼有兩字節(jié)長,它們的第一個字節(jié)是F0H, 第二個字節(jié)是這個鍵的通碼。
例如,當我們按下鍵盤上的“A”鍵時,鍵盤就會往主機發(fā)送”A”鍵對應的通碼(MAKE)”1C”,如果你一直按下這個按鍵不釋放,那么在一個短暫的延時之后,鍵盤會再次開始,以一定的速率持續(xù)向主機發(fā)送”1C“,直到該按鍵被釋放。在該按鍵被釋放后,鍵盤將會向主機發(fā)送“A ”的斷碼(Break),即首先發(fā)送“F0”,然后下一個字節(jié)再馬上發(fā)送“1C”。
如果我們按下的是“END”、“PAGE UP”等擴展按鍵時,會怎么樣呢?這里,以”END”鍵舉例。當”END“鍵被按下后,鍵盤會首先向主機發(fā)送“E0”,發(fā)送完成后,又會接著發(fā)送下一個字節(jié)“69”,釋放時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在解碼到一次數據后,還需要對這個數據進行分析判斷,判斷該數據是否為斷碼標志“F0”以及擴展碼標志”E0“。
三、 硬件設計
PS2電路結構簡單,因此這里就略去。
四、 架構設計
本實驗我們進行PS2鍵盤的解碼實驗,并將解碼到的結果顯示在數碼管上,同時,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蜂鳴器,當有按鍵按下或釋放(包括長按時每接收到一個通碼)時,蜂鳴器發(fā)出一個短暫的響聲,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。設計結構如下圖所示:

圖4-1 led實驗模塊組織結構圖
詳細端口名及其意義如下

表4-1 獨立按鍵檢測實驗端口說明
因為存在模塊間的連接,因此有部分內部信號,下表為內部信號的名稱和功能說明

表4-2 獨立按鍵檢測實驗內部信號說明
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