进阶项目（12）PS2键盘驱动程序设计讲解
写在前面的话
我们从小就开始接触电脑，曾经多么羡慕那些在键盘上洋洋洒洒的人，手指轻柔的飞舞，刻画出一章章美丽的篇幅…那么作为工程师的我们，同样拥有着属于我们的情怀。如果曾经的向往变成我们喜欢的玩具；如果曾经的神秘变成我们夜以继日的痴迷。那么，一切又将如何？梦翼师兄携手大家一起来欣赏、来品味。
项目需求
设计一个ps2键盘的接口驱动电路。
原理分析
ps2的接口如下图所示：
其中，1是数据线DATA；
2是预留N/C；
3是GND；
4是VCC（+5V）；
5是时钟信号线CLK；
6是预留N/C；
数据传输的时序图如下图所示：
一般的ps2接口，都是ps2产生时钟信号，而且是在上升沿的时候把数据发送出去，而在下降沿的时候数据被采样，大多数的ps2设备发送数据的时钟频率是15Khz-20Khz。每一帧的数据有11位或者12位数据，其中包括：
1位起始位：总为逻辑0；
8位数据位：低位在前；
1位奇偶校验位；
1位停止位：总为逻辑1；
1位答应位：仅用于主机对设备通信中（在本次键盘接口设计中不用）
当键盘的某一个按键被按下的时候，键盘会向外发送那一个按键的通码，当按键松开的时候，键盘就会向外发送那一个按键的断码，需要注意的是，如果按着一个按键不放的话，键盘会以一定的频率发送那一个按键的通码。
右侧小键盘的0-9的通码与断码如下图所示：
现在我们具体举一个例子来说明ps2接口的工作原理，假设我现在按下小键盘中的0键，再按下按键9，然后把按键0松开，最后再松开按键9，ps2往FPGA发送的数据就会如下，先发0按键的通码8’h70，再发9按键的通码8’h7d，接着发0按键的断码8’hf0 8’h70，接着再发9按键的断码8’hf0 8’h7d，发送数据的顺序如下： 8’h70→8’h7d→8’hf0→8’h70→8’hf0→8’h7d。
系统架构
当ps2_data_out信号有效的时候，valid会拉高一个周期（valid可用于同其他级联模块的握手）。
模块功能介绍
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模块名 |
功能描述 |
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ps2_scan |
将ps2接口传输过来数据转成通码或者断码 |
顶层模块端口描述
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端口名 |
端口说明 |
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clk |
系统时钟输入 |
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rst_n |
系统复位 |
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Ps2_clk |
时钟信号线 |
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Ps2_data_in |
数据线 |
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valid |
通、断码有效信号（高电平有效） |
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Ps2_data_out |
通、断码信号 |
用signaltap ii 分析波形
打开signaltap ii ，将采样时钟设置为clk，采样深度为64K。将ps2_clk和ps2_data_in两个输入信号引出来，并将ps2_clk的的触发条件改为下降沿（我们是在ps2_clk为下降沿的时候采集数据），之后进行全编译，并将编译好的sof文件下载到开发板中。
按下数字键“1”（数字小键盘），波形图上出现如下波形：
在ps2_clk每个下降沿，我们进行读数据，分别是：“01001011011”。第一位是起始位“0”，后面连续的8位是低位在前的有效数据：“10010110”，改成高位在前就是“01101001”，也就是我们的8‘h69（1的通码就是8’h69）。第十位“1”为奇偶校验位，第十一位“1”是停止位，这两位不需要我们关心。
放开按键“1”，出现了如下的波形：
在ps2_clk每个下降沿，我们进行读数据，分别是：“00000111111”。第一位是起始位“0”，后面连续的8位是低位在前的有效数据：“00001111”，改成高位在前就是“11110000”，也就是我们的8‘hf0（1的断码就是8‘hf0和8’h69 ，8’h69由于采样深度的原因显示不出来波形，不过我们也能分析出来它是怎么来的）。第十位“1”为奇偶校验位，第十一位“1”是停止位，这两位不需要我们关心。
根据ps2接口的原理和下板实测，我们得知了ps2接口传输数据的方式，那么就可以很容易地编写出我们的代码。
代码解释
Ps2_scan模块代码
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/**************************************************** * Engineer : 梦翼师兄 * QQ : 761664056 * The module function： 将ps2接口传输过来的数据译成通、断码 *****************************************************/ 000 module ps2_scan ( 001 clk, //系统输入时钟 002 rst_n,//系统复位 003 ps2_data_in,//ps2的数据 004 ps2_data_out,//按键的通、断码 005 ps2_clk,//ps2的时钟 006 valid//通、断码有效信号 007 ); 008 //系统输入 009 input clk;//系统输入时钟 010 input rst_n;//系统复位 011 input ps2_clk;//ps2的时钟 012 input ps2_data_in;//ps2的数据 013 //系统输出 014 output reg [7:0] ps2_data_out;//按键的通、断码 015 output reg valid;//通、断码有效信号 016 017 wire neg;//下降沿标志线 018 reg ps2_clk_temp;//时钟寄存器 019 020 always @ (posedge clk or negedge rst_n) 021 begin 022 if (!rst_n) 023 ps2_clk_temp <= 0; 024 else 025 ps2_clk_temp <= ps2_clk;//时钟寄存器中的值永远比ps2_clk晚一拍 026 end 027 028 029 //当寄存器里面是1，ps2_clk为0的时候 030 assign neg = ps2_clk_temp && (~ps2_clk);//正好就是ps2_clk为下降沿。 031 032 reg [3:0] num;//接收到数据线上数据的个数 033 034 always @ (posedge clk or negedge rst_n) 035 begin 036 if (!rst_n) 037 begin 038 num <= 0; 039 valid <= 0; 040 ps2_data_out <= 0; 041 end 042 else 043 begin 044 if (neg) 045 begin 046 case (num) 047 0 : num <= num + 1;//起始位 048 049 1 : begin//有效数据的第0位 050 num <= num + 1; 051 ps2_data_out[0] <= ps2_data_in; 052 end 053 054 2 : begin//有效数据的第1位 055 num <= num + 1; 056 ps2_data_out[1] <= ps2_data_in; 057 end 058 059 3 : begin//有效数据的第2位 060 num <= num + 1; 061 ps2_data_out[2] <= ps2_data_in; 062 end 063 064 4 : begin//有效数据的第3位 065 num <= num + 1; 066 ps2_data_out[3] <= ps2_data_in; 067 end 068 069 5 : begin//有效数据的第4位 070 num <= num + 1; 071 ps2_data_out[4] <= ps2_data_in; 072 end 073 074 6 : begin//有效数据的第5位 075 num <= num + 1; 076 ps2_data_out[5] <= ps2_data_in; 077 end 078 079 7 : begin//有效数据的第6位 080 num <= num + 1; 081 ps2_data_out[6] <= ps2_data_in; 082 end 083 084 8 : begin//有效数据的第7位 085 num <= num + 1; 086 ps2_data_out[7] <= ps2_data_in; 087 end 088 089 9 : begin//奇偶校验位 090 num <= num + 1; 091 valid <= 1;//拉高通、断码有效标志 092 end 093 094 10 : num <= 0;//停止位 095 096 default : ; 097 endcase 098 end 099 else 100 begin 101 valid <= 0;//拉低通、断码有效标志 102 end 103 end 104 end 105 106 endmodule |
代码中第47行，我们知道第一个是起始位是”0“，故并没有判断，而是直接跳转到下一个状态。
代码中第89行，ps2_data_in发送的是奇偶校验位，在此我们并没有做出判断，而是直接跳转到下一个状态。
代码中第91行，直接拉高通、断码的有效标志信号。
代码中第101行，直接拉低通、断码的有效标志信号。
代码中第94行，ps2_data_in发送的是停止位“0”。
测试代码
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/**************************************************** * Engineer : 梦翼师兄 * QQ : 761664056 * The module function： 测试ps2_scan模块 *****************************************************/ 000 `timescale 1ns/1ps //定义时间单位和精度 001 002 module ps2_scan_tb; 003 //系统输入 004 reg clk;//系统输入时钟 005 reg rst_n;//系统复位 006 reg ps2_clk;//ps2的时钟 007 reg ps2_data_in;//ps2的数据 008 //系统输出 009 wire [7:0] ps2_data_out;//按键的通、断码 010 wire valid;//通、断码有效信号 011 012 initial begin 013 clk = 1; 014 rst_n = 0; 015 ps2_clk = 1; 016 ps2_data_in = 1; 017 #200.1 018 rst_n = 1; 019 //数字“1”的通码 020 ps2_data_in = 0;//起始位“0” 021 #60 022 ps2_clk = 0; 023 #120 024 ps2_clk = 1; 025 #60 026 ps2_data_in = 1;//“1” 027 #60 028 ps2_clk = 0; 029 #120 030 ps2_clk = 1; 031 #60 032 ps2_data_in = 0;//“0” 033 #60 034 ps2_clk = 0; 035 #120 036 ps2_clk = 1; 037 #60 038 ps2_data_in = 0;//“0” 039 #60 040 ps2_clk = 0; 041 #120 042 ps2_clk = 1; 043 #60 044 ps2_data_in = 1;//“1” 045 #60 046 ps2_clk = 0; 047 #120 048 ps2_clk = 1; 049 #60 050 ps2_data_in = 0;//“0” 051 #60 052 ps2_clk = 0; 053 #120 054 ps2_clk = 1; 055 #60 056 ps2_data_in = 1;//“1” 057 #60 058 ps2_clk = 0; 059 #120 060 ps2_clk = 1; 061 #60 062 ps2_data_in = 1;//“1” 063 #60 064 ps2_clk = 0; 065 #120 066 ps2_clk = 1; 067 #60 068 ps2_data_in = 0;//“0” 069 #60 070 ps2_clk = 0; 071 #120 072 ps2_clk = 1; 073 #60 074 ps2_data_in = 1;//奇偶校验位“1” 075 #60 076 ps2_clk = 0; 077 #120 078 ps2_clk = 1; 079 #60 080 ps2_data_in = 1;//停止位“1” 081 #60 082 ps2_clk = 0; 083 #120 084 ps2_clk = 1; 085 #2000 086 //断码中“f0” 087 ps2_data_in = 0;//起始位“0” 088 #60 089 ps2_clk = 0; 090 #120 091 ps2_clk = 1; 092 #60 093 ps2_data_in = 0;//“0” 094 #60 095 ps2_clk = 0; 096 #120 097 ps2_clk = 1; 098 #60 099 ps2_data_in = 0;//“0” 100 #60 101 ps2_clk = 0; 102 #120 103 ps2_clk = 1; 104 #60 105 ps2_data_in = 0;//“0” 106 #60 107 ps2_clk = 0; 108 #120 109 ps2_clk = 1; 110 #60 111 ps2_data_in = 0;//“0” 112 #60 113 ps2_clk = 0; 114 #120 115 ps2_clk = 1; 116 #60 117 ps2_data_in = 1;//“1” 118 #60 119 ps2_clk = 0; 120 #120 121 ps2_clk = 1; 122 #60 123 ps2_data_in = 1;//“1” 124 #60 125 ps2_clk = 0; 126 #120 127 ps2_clk = 1; 128 #60 129 ps2_data_in = 1;//“1” 130 #60 131 ps2_clk = 0; 132 #120 133 ps2_clk = 1; 134 #60 135 ps2_data_in = 1;//“1” 136 #60 137 ps2_clk = 0; 138 #120 139 ps2_clk = 1; 140 #60 141 ps2_data_in = 1;//奇偶校验位“1” 142 #60 143 ps2_clk = 0; 144 #120 145 ps2_clk = 1; 146 #60 147 ps2_data_in = 1;//停止位“1” 148 #60 149 ps2_clk = 0; 150 #120 151 ps2_clk = 1; 152 #2000 153 //数字“1”的通码 154 ps2_data_in = 0;//起始位“0” 155 #60 156 ps2_clk = 0; 157 #120 158 ps2_clk = 1; 159 #60 160 ps2_data_in = 1;//“1” 161 #60 162 ps2_clk = 0; 163 #120 164 ps2_clk = 1; 165 #60 166 ps2_data_in = 0;//“0” 167 #60 168 ps2_clk = 0; 169 #120 170 ps2_clk = 1; 171 #60 172 ps2_data_in = 0;//“0” 173 #60 174 ps2_clk = 0; 175 #120 176 ps2_clk = 1; 177 #60 178 ps2_data_in = 1;//“1” 179 #60 180 ps2_clk = 0; 181 #120 182 ps2_clk = 1; 183 #60 184 ps2_data_in = 0;//“0” 185 #60 186 ps2_clk = 0; 187 #120 188 ps2_clk = 1; 189 #60 190 ps2_data_in = 1;//“1” 191 #60 192 ps2_clk = 0; 193 #120 194 ps2_clk = 1; 195 #60 196 ps2_data_in = 1;//“1” 197 #60 198 ps2_clk = 0; 199 #120 200 ps2_clk = 1; 201 #60 202 ps2_data_in = 0;//“0” 203 #60 204 ps2_clk = 0; 205 #120 206 ps2_clk = 1; 207 #60 208 ps2_data_in = 1;//奇偶校验位“1” 209 #60 210 ps2_clk = 0; 211 #120 212 ps2_clk = 1; 213 #60 214 ps2_data_in = 1;//停止位“1” 215 #60 216 ps2_clk = 0; 217 #120 218 ps2_clk = 1; 219 end 220 221 always # 10 clk = ~clk;//50M的时钟 222 223 ps2_scan ps2_scan ( 224 .clk(clk), //系统输入时钟 225 .rst_n(rst_n),//系统复位 226 .ps2_data_in(ps2_data_in),//ps2的数据 227 .ps2_data_out(ps2_data_out),//按键的通、断码 228 .ps2_clk(ps2_clk),//ps2的时钟 229 .valid(valid)//通、断码有效信号 230 ); 231 232 endmodule |
测试中，我们发送了数字”1“的通码，断码，模仿了数字键”1“的按下和抬起。
仿真分析
在仿真中，测试了数字 “1”的通、断码的接收和发送，每当检测出一个八位有效数据的时候，valid都会出现一个时钟周期的尖峰脉冲。
