淺談PS2接口鍵盤顯示實(shí)驗(yàn)

時(shí)間：2024-06-06 11:01:01

一、  實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1、學(xué)習(xí)用FPGA設(shè)計(jì)簡單通信協(xié)議的方法。
2、學(xué)習(xí)PS2的工作原理，掃描碼的ASCII碼的轉(zhuǎn)換。
3、掌握VHDL編寫中的一些小技巧。
二、  實(shí)驗(yàn)原理
  PS2通信協(xié)議是一種雙向同步串行通迅協(xié)議。通迅的兩端通過CLOCK（時(shí)鐘信號(hào)端）同步，并通過DATA（數(shù)據(jù)端口）交換數(shù)據(jù)。任何一方如果想要抑制另外一方的通迅時(shí)，只需要把CLOCK拉到低電平。
PS2標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范每筆數(shù)據(jù)傳輸包含起始位(start bit)、掃描碼(scan code)、奇同位檢查(odd parity)、以及終止位(stop bit)共計(jì)11位，并以雙向串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，達(dá)到通信的目的。且當(dāng)主機(jī)端(host)或從機(jī)端(slave)并無傳送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸端口及頻率均將升為高電位。圖4-17-1所示為每一筆數(shù)據(jù)傳輸所包含之內(nèi)容如下：
1.          起始位(“0”)
2.          8位數(shù)據(jù)寬度的掃描碼( scan code )。
3.          奇同位檢查，使掃描碼與奇同位加起來1的數(shù)字為奇數(shù)個(gè)。
4.          終止位(“1”)

圖4-17-1  PS2 串行傳輸標(biāo)準(zhǔn)

圖4-17-2   PS2 端口腳位定義
PS2控制接口僅使用到兩條傳輸端口，一為頻率端口，另一則為數(shù)據(jù)端口如圖4-17-2所示，且此傳輸埠必為三態(tài)(Tri-State)并具有雙向(bidirectional)特性。PS2 傳輸產(chǎn)品上，常見為鼠標(biāo)與鍵盤，兩者的驅(qū)動(dòng)原理均相同，僅掃描碼(scan code)不同。因此我們以PS2鍵盤為例進(jìn)行說明。
鍵盤其實(shí)就是一個(gè)大型的按鍵矩陣，它們由安裝在電路板上的處理器（叫做“鍵盤編碼器”）來監(jiān)視著。雖然不同的鍵盤可能采用不同的處理器，但是它們完成的任務(wù)都是一樣的，即監(jiān)視哪些按鍵被按下，哪些按鍵被釋放了，并將這些信息傳送到主機(jī)。如果有必要，處理器處理所有的去抖動(dòng)，并在它的16字節(jié)的緩沖區(qū)里緩沖數(shù)據(jù)。主機(jī)端包含了一個(gè)“鍵盤控制器”與鍵盤處理器進(jìn)行通訊，并解碼來自鍵盤處理器的信息，然后高速系統(tǒng)當(dāng)前按鍵對(duì)應(yīng)的處理事情。主機(jī)與鍵盤之間的通訊仍舊采用IBM的協(xié)議。
鍵盤處理器花費(fèi)很多時(shí)間來掃描或監(jiān)視按鍵矩陣。如果發(fā)現(xiàn)有按鍵按下、釋放或長按，鍵盤就發(fā)送“掃描碼”的信息到主機(jī)。掃描碼有兩種不同的類型：“通碼”和“斷碼”。當(dāng)一個(gè)鍵被按下去或長按的時(shí)候，鍵盤就發(fā)送通碼；當(dāng)一個(gè)鍵被釋放的時(shí)候，鍵盤就發(fā)送斷碼。每個(gè)鍵盤被分配了唯一的通碼和斷碼，這樣主機(jī)通過查找唯一的掃描碼就可以確定是哪個(gè)按鍵被按下或釋放。每個(gè)鍵一整套的通斷碼組成了“掃描碼集”，現(xiàn)在所有的鍵盤都采用第二套掃描碼。由于沒有一個(gè)簡單的公式可以計(jì)算掃描碼，所以要知道某個(gè)特定按鍵的通碼和斷碼，只能采用查表的方法來獲得。需要特別注意的是，按鍵的通碼值表示鍵盤上的一個(gè)按鍵，并不表示印刷在按鍵上的那個(gè)字符，這就意味著通碼和ASCII碼之間沒有任何關(guān)聯(lián)。
另外，第二套通碼都只有一個(gè)字節(jié)寬，但也有少數(shù)“擴(kuò)展按鍵”的通碼是兩字節(jié)或四字節(jié)寬，這類碼的第一個(gè)字節(jié)總是0xE0。與通碼一樣，每個(gè)按鍵在釋放的時(shí)候，鍵盤就會(huì)發(fā)送一個(gè)斷碼。每個(gè)鍵也都有它自己的唯一的斷碼，不過慶幸的是，斷碼與斷碼之間存在著必然的聯(lián)系。多數(shù)第二套斷碼有兩個(gè)字長，它們的第一個(gè)字節(jié)是0xF0，第二個(gè)字節(jié)就是對(duì)應(yīng)按鍵的通碼。擴(kuò)展按鍵的斷碼通常有三個(gè)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)0xE0和0xF0，最后一個(gè)字節(jié)是這個(gè)按鍵通碼的最后一個(gè)字節(jié)。表4-17-1列出了鍵盤按鍵的通碼和斷碼。

鍵值通碼斷碼鍵值通碼斷碼鍵值通碼斷碼

A 1C F0,1C 9 46 F0,46 [ 54 F0,54

B 32 F0,32 ` 0E F0,0E INSERT 67 F0,67

C 21 F0,21 - 4E F0,4E HOME 6E F0,6E

D 23 F0,23 = 55 F0,55 PG UP 6F F0,6F

E 24 F0,24 \ 5C F0,5C DELETE 64 F0,64

F 2B F0,2B BKSP 66 F0,66 END 65 F0,65

G 34 F0,34 SPACE 29 F0,29 PG DN 6D F0,6D

H 33 F0,33 TAB 0D F0,0D U ARROW 63 F0,63

I 43 F0,48 CAPS 14 F0,14 L ARROW 61 F0,61

J 3B F0,3B L SHFT 12 F0,12 D ARROW 60 F0,60

K 42 F0,42 L CTRL 11 F0,11 R ARROW 6A F0,6A

L 4B F0,4B L WIN 8B F0,8B NUM 76 F0,76

M 3A F0,3A L ALT 19 F0,19 KP / 4A F0,4A

N 31 F0,31 R SHFT 59 F0,59 KP * 7E F0,7E

O 44 F0,44 R CTRL 58 F0,58 KP - 4E F0,4E

P 4D F0,4D R WIN 8C F0,8C KP + 7C F0,7C

Q 15 F0,15 R ALT 39 F0,39 KP EN 79 F0,79

R 2D F0,2D APPS 8D F0,8D KP . 71 F0,71

S 1B F0,1B ENTER 5A F0,5A KP 0 70 F0,70

T 2C F0,2C ESC 08 F0,08 KP 1 69 F0,69

U 3C F0,3C F1 07 F0,07 KP 2 72 F0,72

V 2A F0,2A F2 0F F0,0F KP 3 7A F0,7A

W 1D F0,1D F3 17 F0,17 KP 4 6B F0,6B

X 22 F0,22 F4 1F F0,1F KP 5 73 F0,73

Y 35 F0,35 F5 27 F0,27 KP 6 74 F0,74

Z 1A F0,1A F6 2F F0,2F KP 7 6C F0,6C

0 45 F0,45 F7 37 F0,37 KP 8 75 F0,75

1 16 F0,16 F8 3F F0,3F KP 9 7D F0,7D

2 1E F0,1E F9 47 F0,47 ] 5B F0,5B

3 26 F0,26 F10 4F F0,4F ; 4C F0,4C

4 25 F0,25 F11 56 F0,56 ' 52 F0,52

5 2E F0,2E F12 5E F0,5E , 41 F0,41

6 36 F0,36 PRNT
SCRN 57 F0,57 . 49 F0,49

7 3D F0,3D SCROLL 5F F0,5F / 4A F0,4A

8 3E F0,3E PAUSE 62 F0,62

表4-17-1PS2 鍵盤掃描碼
三、  實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
      本實(shí)驗(yàn)的任務(wù)就是利用PS2接口將鍵盤按鍵的通碼在數(shù)碼管上顯示出來。
實(shí)驗(yàn)箱中用到PS2鍵盤接口與FPGA的接口電路如圖4-17-3所示。

圖4-17-3  PS2鍵盤接口電路圖

四、  實(shí)驗(yàn)步驟
1、打開QUARTUSII軟件，新建一個(gè)工程。
2、建完工程之后，再新建一個(gè)VHDL File，打開VHDL編輯器對(duì)話框。
3、按照實(shí)驗(yàn)原理和自己的想法，在VHDL編輯窗口編寫VHDL程序，用戶可參照光盤中提供的示例程序。示例程序共提供2個(gè)VHDL源程序。每一個(gè)源程序完成一定的功能。其具體的功能如下表4-17-2所示：

文件名稱完成功能

keyboard.VHD PS2鍵盤控制器電路設(shè)計(jì)。

DISPLAY.VHD 七段顯示器譯碼電路設(shè)計(jì)。

表4-17-2   示例程序功能表
4、編寫完VHDL程序后，保存起來。方法同實(shí)驗(yàn)一。
5、將自己編寫的VHDL程序進(jìn)行編譯并生成模塊符號(hào)文件，并對(duì)程序的錯(cuò)誤進(jìn)行修改，最終所有程序通過編譯并生成模塊符號(hào)文件。其具體方法請(qǐng)參照實(shí)驗(yàn)六。
6、新建一個(gè)圖形編輯文件，將已生成的模塊符號(hào)文件放入其中，并根據(jù)要求邊接起來。完成后，如下圖4-17-4所示。

圖21-4  編輯好的圖形設(shè)計(jì)文件
7、將自己編輯好的的程序進(jìn)行編譯仿真，并對(duì)程序的錯(cuò)誤進(jìn)行修改，最終通過編譯。
8、編譯仿真無誤后，根據(jù)用戶自己的要求進(jìn)行管腳分配。分配完成后，再進(jìn)行全編譯一次，以使管腳分配生效。
9、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容用實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將上面管腳分配的FPGA管腳與對(duì)應(yīng)的模塊連接起來。
如果是調(diào)用的本書提供的VHDL代碼，則實(shí)驗(yàn)連線如下：
      CLK： FPGA時(shí)鐘，接數(shù)字時(shí)鐘COLCK1并將其設(shè)為24M。
      DATA：PS2接口DATA信號(hào)，接PS2接口KDA端口。
      KYCLOCK：PS2接口CLK信號(hào)，接PS2接口KCL端口。
      RESET：復(fù)位信號(hào)，接核心板復(fù)位按鍵RST。
A、B、C、D、E、F、G：接七段碼顯示區(qū)的A、B、C、D、E、F和G
      SA、SB、SC：接七段碼顯示區(qū)的SEL0、SEL1、SEL2。
10、用下載電纜通過JTAG口將對(duì)應(yīng)的sof文件加載到FPGA中。觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與自己的編程思想一致。
五、  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象
以設(shè)計(jì)的參考示例為例，將PS2接口的鍵盤接入PS2接口內(nèi)。當(dāng)設(shè)計(jì)文件加載到目標(biāo)器件后，將數(shù)字信號(hào)源模塊的時(shí)鐘選擇為24MHZ，按下PS2鍵盤上的鍵，則在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的八位數(shù)碼管上的中間兩位將顯示被按鍵的掃描碼。觀察其按下的鍵值所對(duì)應(yīng)的掃描碼是否與表4-17-1一一對(duì)應(yīng)。按下核心板上的復(fù)位按鍵RST則停止對(duì)鍵盤的掃描，數(shù)碼管上的掃描碼不會(huì)發(fā)生改變。
六、  實(shí)驗(yàn)報(bào)告
1、繪出仿真波形，并作說明。
2、將實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)過程、編譯仿真波形和分析結(jié)果、硬件測(cè)試結(jié)果記錄下來。

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鍵值	通碼	斷碼	鍵值	通碼	斷碼	鍵值	通碼	斷碼
A	1C	F0,1C	9	46	F0,46	[	54	F0,54
B	32	F0,32	`	0E	F0,0E	INSERT	67	F0,67
C	21	F0,21	-	4E	F0,4E	HOME	6E	F0,6E
D	23	F0,23	=	55	F0,55	PG UP	6F	F0,6F
E	24	F0,24	\	5C	F0,5C	DELETE	64	F0,64
F	2B	F0,2B	BKSP	66	F0,66	END	65	F0,65
G	34	F0,34	SPACE	29	F0,29	PG DN	6D	F0,6D
H	33	F0,33	TAB	0D	F0,0D	U ARROW	63	F0,63
I	43	F0,48	CAPS	14	F0,14	L ARROW	61	F0,61
J	3B	F0,3B	L SHFT	12	F0,12	D ARROW	60	F0,60
K	42	F0,42	L CTRL	11	F0,11	R ARROW	6A	F0,6A
L	4B	F0,4B	L WIN	8B	F0,8B	NUM	76	F0,76
M	3A	F0,3A	L ALT	19	F0,19	KP /	4A	F0,4A
N	31	F0,31	R SHFT	59	F0,59	KP *	7E	F0,7E
O	44	F0,44	R CTRL	58	F0,58	KP -	4E	F0,4E
P	4D	F0,4D	R WIN	8C	F0,8C	KP +	7C	F0,7C
Q	15	F0,15	R ALT	39	F0,39	KP EN	79	F0,79
R	2D	F0,2D	APPS	8D	F0,8D	KP .	71	F0,71
S	1B	F0,1B	ENTER	5A	F0,5A	KP 0	70	F0,70
T	2C	F0,2C	ESC	08	F0,08	KP 1	69	F0,69
U	3C	F0,3C	F1	07	F0,07	KP 2	72	F0,72
V	2A	F0,2A	F2	0F	F0,0F	KP 3	7A	F0,7A
W	1D	F0,1D	F3	17	F0,17	KP 4	6B	F0,6B
X	22	F0,22	F4	1F	F0,1F	KP 5	73	F0,73
Y	35	F0,35	F5	27	F0,27	KP 6	74	F0,74
Z	1A	F0,1A	F6	2F	F0,2F	KP 7	6C	F0,6C
0	45	F0,45	F7	37	F0,37	KP 8	75	F0,75
1	16	F0,16	F8	3F	F0,3F	KP 9	7D	F0,7D
2	1E	F0,1E	F9	47	F0,47	]	5B	F0,5B
3	26	F0,26	F10	4F	F0,4F	;	4C	F0,4C
4	25	F0,25	F11	56	F0,56	'	52	F0,52
5	2E	F0,2E	F12	5E	F0,5E	,	41	F0,41
6	36	F0,36	PRNT SCRN	57	F0,57	.	49	F0,49
7	3D	F0,3D	SCROLL	5F	F0,5F	/	4A	F0,4A
8	3E	F0,3E	PAUSE	62	F0,62

文件名稱	完成功能
keyboard.VHD	PS2鍵盤控制器電路設(shè)計(jì)。
DISPLAY.VHD	七段顯示器譯碼電路設(shè)計(jì)。

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淺談PS2接口鍵盤顯示實(shí)驗(yàn)