【原創】FPGA開發手記（三） PS/2鍵盤

時間 2019-11-11

標籤原創 fpga 開發手記鍵盤简体版

原文原文鏈接

如下內容均以Xilinx的Nexys3做爲開發板

1.PS/2鍵盤簡介

雖然Nexys3開發板是利用USB接口搭載鍵盤，可是其原理與PS/2鍵盤徹底相同，如今就僅以PS/2鍵盤爲例講解如何將鍵盤搭載在開發板上。代碼程序均在Nexys3上通過測試。測試

PS/2標準鍵盤使用6個接口，各個接口定義以下：

1：DATA，數據信號

2：N.C.，不鏈接

3：GND，地

4：VCC，+5V電源

5：CLK，時鐘

6：N.C.，不鏈接

而對於USB鍵盤，有用的接口只有兩個CLK以及DATA，同時須要+5V供電。這點很重要，可是FPGA的CMOS最大供電是3.3V，如何解決這個問題筆者也是花費了一番周折，文章末會提到。spa

PS/2標準的數據幀格式與串口通信很類似，USB就是串口通信的格式。起始爲低電平，中止位爲高電平。若是數據位中1的個數是偶數，校驗位就爲1；若是數據位中1的個數是奇數，校驗位就爲0，一般本身使用咱們都無論校驗位。其實就是奇校驗。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1 數據幀格式

2.鍵盤掃描碼

當PC經過PS/2接口與從設備通訊時，老是利用降低沿讀取數據。鍵盤僅僅在數據線和時鐘線都爲高電平（即空閒態）時能夠把數據傳送給主機，一旦主機使用了總線，鍵盤在驅動總線前必須檢查主機當前是否仍在發送數據。爲了促進這一覈查，時鐘線將暫時做爲發送完成信號。一旦主機把時鐘線拉低，那麼鍵盤將使時鐘線變成高電平才能夠傳輸數據。設計

PS/2型鍵盤主要使用掃描碼來進行數據傳輸。每一個按鍵被按下時都會被分配固定的掃描碼，若是按鍵一直被按下，那麼該按鍵碼值將每隔100ms重複發送一次。當按鍵釋放後，一個關鍵碼F0發送後，該掃描碼纔會被髮送。當使用上檔鍵進行組合鍵時，也會產生上檔鍵的碼值，而且由主機決定究竟是哪個ASCII值。當組合鍵被釋放後，一個E0和F0關鍵碼發送後，按鍵掃描碼才被髮送。。大多數按鍵的掃描碼以下圖所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 鍵盤掃描碼

主機也會向鍵盤發送數據。下面是主機可能發送的經常使用命令的清單。code

ED 使NumLock，CapsLock和ScrollLock LED燈發光。在接收到ED後鍵盤反饋FA碼，而後主機發送一個用來設置LED顯示狀態的字節：第0位控制ScrollLock置位，第1位控制NumLock置位，第2位控制CapsLock置位；blog

EE 用來進行鍵盤測試，當鍵盤接受EE後將反饋EE；接口

F3 設置掃描碼重複頻率，當鍵盤接受FA反饋F3後，主機將發送第二個字符用來設置重複頻率。ci

FE 從新發送。FE將使鍵盤從新發送最近的掃描碼。開發

FF 重置。重置鍵盤。get

3.源程序簡介class

PS/2鍵盤模塊接口定義：

首先，仍是利用移位寄存器的方式捕捉PS/2鍵盤時鐘線的降低沿。

reg ps2_clk_r0,ps2_clk_r1,ps2_clk_r2;
wire neg_ps2_clk;
    
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n)  begin
        ps2_clk_r0 <= 1'b0;
        ps2_clk_r1 <= 1'b0;
        ps2_clk_r2 <= 1'b0;
    end
    else begin
        ps2_clk_r0 <= ps2_clk;
        ps2_clk_r1 <= ps2_clk_r0;
        ps2_clk_r2 <= ps2_clk_r1;
    end    
end // end always
    
assign neg_ps2_clk = ps2_clk_r2 & (~ps2_clk_r1);

neg_ps2_clk即爲PS/2時鐘信號降低沿的有效信號。而後，利用一個寄存器和計數器，存儲8位有效數據幀。

//------------------------------------------------------
// 接受來自PS/2鍵盤的數據存儲器
reg [7:0] ps2_byte_r;        // 來自PS/2的數據寄存器
reg [7:0] temp_data;            // 當前接受數據寄存器
reg [3:0] num;
    
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        num <= 4'd0;
        temp_data <= 8'd0;
    end
    else if (neg_ps2_clk) begin
        case (num)
            4'd0: begin
                num <= num + 1'b1;
            end
            4'd1: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[0] <= ps2_data;
            end
            4'd2: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[1] <= ps2_data;
            end
            4'd3: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[2] <= ps2_data;
            end
            4'd4: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[3] <= ps2_data;
            end
            4'd5: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[4] <= ps2_data;
            end
            4'd6: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[5] <= ps2_data;
            end
            4'd7: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[6] <= ps2_data;
            end
            4'd8: begin
                num <= num + 1'b1;
                temp_data[7] <= ps2_data;
            end
            4'd9: begin
                num <= num + 1'b1;
            end
            4'd10: begin
                num <= 4'b0;
            end
            default: num <= 4'd0;
        endcase
    end
end // end always

經過當前按鍵狀態，判斷通碼仍是斷碼，並保存在ps2_byte_r的8位寄存器內。

//-------------------------------------
    reg key_f0;                // 鬆鍵標誌位
    reg ps2_state_r;        // 當前狀態,高電平表示有鍵按下
    
    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            key_f0 <= 1'b0;
            ps2_state_r <= 1'b0;
            ps2_byte_r <= 8'd0;
        end
        else if (num == 4'd10) begin    // 剛傳輸一個字節
            if (temp_data == 8'hf0)    begin // 斷碼的第一個字節
                key_f0 <= 1'b1;
            end    
            else begin
                if (key_f0) begin    // 存儲通碼
                    ps2_state_r <= 1'b1;
                    ps2_byte_r <= temp_data;
                    key_f0 <= 1'b0;
                end
                else begin
                    ps2_state_r <= 1'b0;
                    key_f0 <= 1'b0;
                end
            end    
        end
        else    ps2_state_r <= 1'b0;
    end // end always

利用case判斷不一樣的通碼，來決定字符的ASCII。

//---------------------------------------
    reg [7:0] ps2_ascii;    //接受相應的asciiI
    
    always @(posedge clk) begin
        case (ps2_byte_r)
            8'h15: ps2_ascii = 8'h51;    //Q
            8'h1d: ps2_ascii = 8'h57;    //W
            8'h24: ps2_ascii = 8'h45;    //E
            8'h2d: ps2_ascii = 8'h52;    //R
            8'h2c: ps2_ascii = 8'h54;    //T
            8'h35: ps2_ascii = 8'h59;    //Y
            8'h3c: ps2_ascii = 8'h55;    //U
            8'h43: ps2_ascii = 8'h49;    //I
            8'h44: ps2_ascii = 8'h4f;    //O
            8'h4d: ps2_ascii = 8'h50;    //P                      
            8'h1c: ps2_ascii = 8'h41;    //A
            8'h1b: ps2_ascii = 8'h53;    //S
            8'h23: ps2_ascii = 8'h44;    //D
            8'h2b: ps2_ascii = 8'h46;    //F
            8'h34: ps2_ascii = 8'h47;    //G
            8'h33: ps2_ascii = 8'h48;    //H
            8'h3b: ps2_ascii = 8'h4a;    //J
            8'h42: ps2_ascii = 8'h4b;    //K
            8'h4b: ps2_ascii = 8'h4c;    //L
            8'h1a: ps2_ascii = 8'h5a;    //Z
            8'h22: ps2_ascii = 8'h58;    //X
            8'h21: ps2_ascii = 8'h43;    //C
            8'h2a: ps2_ascii = 8'h56;    //V
            8'h32: ps2_ascii = 8'h42;    //B
            8'h31: ps2_ascii = 8'h4e;    //N
            8'h3a: ps2_ascii = 8'h4d;    //M
            default    ps2_ascii = 8'hfe;
        endcase    
    end
    
    assign ps2_byte = ps2_ascii;
    assign ps2_state = ps2_state_r;