【小梅哥FPGA进阶教程】第六章 PS2键盘驱动设计与验证

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第六章 PS2键盘驱动设计与验证

在我们的电子系统中，当需要用到大量的按键输入时，普通的独立按键和矩阵键盘已经无法满足我们的输入需求，这个时候，我们需要使用一种功能更加强大的键盘，来帮助我们输入更多的信息。在pc机上，我们经常使用104键的键盘，这种键盘与pc机的接口，可分为USB接口和PS2接口，我们FPGA要实现USB接口比较困难，因为USB的接口线路，不是标准的TTL电平，而PS2接口，则使用标准的TTL电平，那么我们今天就使用FPGA来解码驱动一个采用PS2接口的pc机键盘，用这个键盘来扩展我们FPGA的输入系统，以使我们方便输入更的信息。

实验目的

实现采用PS2协议的PC机键盘的解码，最终将PS2键盘作为FPGA系统的一个标准输入设备。

实验原理

PS2键盘的内部结构我们不需要过多的去关注，我们只需要关心其接口协议，正确的解码其发送过来的按键信息即可，至于解码到的按键信息该怎么处理，不同的应用有不同的处理方式，这里就不做过多的介绍。PS2协议的简单描述如下：

PS2协议总共由两根线组成，一根时钟线和一根数据线。这里我们将采用PS2协议的键盘称为从机，将控制和解码PS2协议的一方成为主机，生活中最常见的主机便是我们的PC机。PS2总线协议的两根线中，时钟线传输时钟信号，该时钟信号始终由从机，即键盘产生。PS2协议发送一个字节的数据总共有11位，分别为

1位起始位
8位数据位
1位校验位
1位停止位

PS2从机发送一个完整数据包的时序图如下所示：

图2-1 PS2从机发送数据时序图

相信熟悉UART协议的同学一眼就能看出来，PS2协议和我们最熟悉的UART通信协议非常相似，那么我们的工作就简单了，既然键盘按照这个协议发送数据，我们FPGA作为主机，只需要正确的实现该协议的解码，将其中的8位数据位读取出来即可。由图可知，数据在时钟的下降沿处是稳定的，因此我们只需要去捕获时钟信号的下降沿，并在检测到这个下降沿时去读取数据线上的电平，就能够正确的读到数据。

以上是PS2协议中从机到主机的一个通讯过程，实际在PS2协议中，包含了从机到主机和主机到从机的通信时序，只是在我们进行PS2键盘的解码时，可以不需要进行主机到从机的通信，因此这部分内容小梅哥就不在这里讲解了，如果大家以后要解码PS2鼠标的话，就会用到主机到从机的通信了。

上面只是简单的介绍了PS2从机到主机的通信协议，我们知道了键盘是一个字节一个字节的往主机发送数据的，但是，每个字节代表了什么内容呢，我们还需要对照键盘编码对照表来查看。

键盘扫描码分为第一套扫描码、第二套扫描码和第三套扫描码，我们日常生活中常见的扫描码绝大多数采用第二套扫描码，因此这里小梅哥就只附上第二套扫描码的内容。

实际一个按键由按下到释放时键盘的响应过程如下图所示：

只要一个键被按下，这个键的通码（MAKE）就被发送到计算机。通码只表示键盘上的一个按键，它不表示印刷在按键上的那个字符。这就意味着在通码和ASCII码之间没有已定义好的关联，直到主机把扫描码翻译成一个字符或命令。虽然多数第二套通码都只有一个字节宽，但也有少数“扩展按键”的通码是两字节或四字节宽，这类的通码第一个字节总是为E0H（如“END”、“HOME”……）。正如键按下通码就被发往计算机一样，只要键一释放，断码就会被发送。每个键都有它自己唯一的通码，它们也都有唯一的断码。幸运的是，你不用总是通过查表来找出按键的断码―― 在通码和断码之间存在着必然的联系。多数第二套断码有两字节长，它们的第一个字节是F0H，第二个字节则是这个键的通码。

例如，键盘上按键“A”的通码为“1C”，段码为F0 1C当我们按下键盘上的“A”键时，键盘就会往主机发送”A”键对应的通码（MAKE）”1C”,如果你一直按下这个按键不释放，那么在一个短暂的延时（机打延迟）之后，键盘会再次开始，以一定的速率（机打速率）持续向主机发送”1C“，直到该按键被释放。在该按键被释放后，键盘将会向主机发送“A ”的断码（Break），即首先发送“F0”，然后下一个字节再马上发送“1C”。发送顺序如下：

短按并立即释放：
键盘检测到按下按键A
键盘发送通码1C
键盘检测到释放按键A
键盘发送断码F0 1C。
长按再释放：
键盘检测到按下按键A
键盘发送通码1C
延时短暂时间（机打延迟）
键盘检测到按键A依旧被按下
键盘发送通码1C
延时短暂时间（机打速率）
键盘发送通码1C
延时短暂时间（机打速率）
……
键盘检测到按键A被释放
键盘发送断码码F0 1C。

如果我们按下的是“END”、“PAGE UP”等扩展按键时，会怎么样呢？这里，以”END”键举例。当”END“键被按下后，键盘会首先向主机发送“E0”，发送完成后，又会接着发送下一个字节“69”，释放时也与前面的普通按键类似，先发送“E0”，然后发送“F0”，最后再发送“69”。

由上述分析可知，我们FPGA在解码到一次数据后，还需要对这个数据进行分析判断，判断该数据是否为断码标志“F0”以及扩展码标志”E0“。

硬件设计

PS2电路结构简单，因此这里就略去。

架构设计

本实验我们进行PS2键盘的解码实验，并将解码到的结果显示在数码管上，同时，为了使我们更加直观的感受到按键被按下和释放，小梅哥在这里增加了一个蜂鸣器，当有按键按下或释放（包括长按时每接收到一个通码）时，蜂鸣器发出一个短暂的响声，来反馈给操作者，让我们知道我们的解码模块解码到了按键信息。设计结构如下图所示：

图4-1 led实验模块组织结构图

详细端口名及其意义如下

表4-1 独立按键检测实验端口说明

因为存在模块间的连接，因此有部分内部信号，下表为内部信号的名称和功能说明

表4-2 独立按键检测实验内部信号说明

代码分析

这里，解码的关键是PS2接口的时钟信号，该时钟为异步时钟，我们需要通过边沿检测的方式来检测其下降沿，以便根据下降沿的个数来确定每个时钟我们因该做什么，边沿检测的电路，前面几个实验已经讲过很多次了，这里便不再做过多的解释，贴上代码即可：

一个PS2的数据包总共由11位组成，因此会有11个时钟下降沿，因此我们必须对下降沿的个数准确计数，才能保证我们能够解码得到正确的数据，这里，使用我们的PS2时钟下降沿标志信号来使能我们的计数器自加，当计数器加到11后，表示一个数据包接收完成，将计数器清零，等待下一个下降沿的到来，相关代码如下：

接下来，就是根据时钟下降沿的计数个数，来读取对应位的数据了，因为采用了非阻塞赋值的方式，因此，PS2时钟下降沿到来时，此时Cnt1执行自加1操作，但同时如果也来用Cnt1的值来确定数据位数，就一定会造成错误，因为此时，Cnt1的加1操作并没有执行，而是会在下一个时钟上升沿到来之时才变，因此，为了保证我们使用的Cnt1的数据是已经更新了的，我们需要在Cnt1已经变化之后再来使用其值做判断，即在PS2时钟下降沿检测成功后，滞后一个系统时钟周期后再来读取PS2_Din上的值，比较简单的操作方式就是将PS2时钟下降沿检测标志信号再用寄存器打一拍，对应代码如下：

可能这里相对比较难以理解，希望大家结合仿真结果自学揣摩体会。

接下来就是根据Cnt1的计数值来读取每一位的数据了，这部分代码很简单，如下所示：

通过以上操作，我们就能正确的解码PS2键盘发送过来的每一个字节的数据了，但是，这些数据代表了什么呢，如果是断码标志，或者是长码标志，我们又该如何进行操作呢，这里，小梅哥先贴上我的处理代码：

这里，小梅哥使用了两个标志寄存器，当检测数据完成后，即Cnt1=11时，就对解码到到数据进行判断，如果Data_tmp == 8'hE0，则解码到到数据为长码（扩展码）标志，此时便将长码标志寄存器置1，如果Data_tmp == 8'hF0，则解码到到数据为断码标志，此时便将断码标志寄存器置1。然后，当解码到其他数据（如单字节通码或双子节通码的第二个字节）后，便将解码到的数据连同断码和长码标志寄存器的状态输出，并给出按键检测成功标志（Key_Flag置1）。

仿真分析

为了对小梅哥设计的PS2键盘解码驱动进行验证，小梅哥编写了一个Testbench来模拟键盘发送数据，通过观察键盘解码驱动的输出来验证该解码模块的正确性，关于模拟键盘发送数据，在一份介绍PS2协议的手册中有如下描述：

我们推荐仿真键盘/鼠标采用下面的过程发送一字节的数据到主机：

等待Clock线为高电平，即等待主机释放Clock线；
延时50us；
判断Clock线是否为高电平？No―― 跳到第1步；
Data线是否为高电平？No――放弃(跳到从主机读取字节的程序中) 。
延迟20us，输出起始位(0) ，然后延迟20us，再拉低Clock线保持40us后释放Clock线，形成一个脉冲；
延时20us，测试Clock线是否为高电平？No―― 跳到第1步；
输出第1个数据位，然后延时20us，再拉低Clock线保持40us后释放Clock线，形成一个脉冲；
重复6-7步发送剩下的7个数据位和校验位；
延时20us，测试Clock线是否为高电平？No―― 跳到第1步；

因此，我们的模拟键盘发送数据的过程只需要依照上面的流程来即可，这里贴上小梅哥编写的testbench：

testbench中使用了一个主任务“Send_data”来模拟键盘的数据发送，并使用了其他几个基于此任务的任务来模拟按键按下（press_key）、按键释放（release_key）、普通按键按下+释放（Key_Event）、扩展按键按下+释放的过程（Long_Key_Event），通过模拟进行部分按键的按下和释放操作，来观察解码模块的结果，便可获知解码是否成功。

以下为小仿真结果，与发送的数据一致，因此表明PS2解码是成功的。

下板验证

这里，小梅哥在芯航线FPGA学习套件上进行验证验证结果如下图：

其中，第三个数码管，为0表示普通按键通码，为2表示普通按键断码，为1表示扩展按键通码，为3表示扩展按键断码。