1 PS/2協(xié)議
目前,PC機廣泛采用的PS/2接口為mini-DIN 6pin的連接器,如圖1所示.
PS/2設備有主從之分,主設備采用Female插座,從設備采用Male插頭.現在廣泛使用的PS/2鍵盤(pán)鼠標均在從設備方式下工作.PS/2接口的時(shí)鐘
與數據線(xiàn)都是集電極開(kāi)路結構,必須外接上拉電阻(一般上拉電阻設置在主設備中).主從設備之間數據通信采用雙向同步串行方式傳輸,時(shí)鐘信號由從設備產(chǎn)生.
1.1 從設備到主設備的通信
當從設備向主設備發(fā)送數據時(shí),首先檢查時(shí)鐘線(xiàn),以確認時(shí)鐘線(xiàn)是否為高電平.如果是高電平,從設備就可以開(kāi)始傳輸數據;反之,從設備要等待獲得總線(xiàn)的控制權,才能開(kāi)始傳輸數據.傳輸的每一幀由11位組成,發(fā)送時(shí)序及每一位的含義如圖2所示.
每一幀數據中開(kāi)始位總是為0,數據校驗采用奇校驗方式,停止位始終為1.從設備到主設備通信時(shí),從設備總是在時(shí)鐘線(xiàn)為高時(shí)改變數據線(xiàn)狀態(tài),主設備在時(shí)鐘下降沿讀人數據線(xiàn)狀態(tài).
1.2 主設備到從設備的通信
主設備與從設備進(jìn)行通信時(shí),主設備首先將時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)設置為“請求發(fā)送”狀態(tài),具體方式為:首先下拉時(shí)鐘線(xiàn)至少100us抑制通信,然后下拉數據線(xiàn)“請求發(fā)送”,最后釋放時(shí)鐘線(xiàn).在此過(guò)程中,從設備在不超過(guò)10us的間隔內必須檢查這個(gè)狀態(tài),當設備檢測到這個(gè)狀態(tài)時(shí),它將開(kāi)始產(chǎn)生時(shí)鐘信號.此時(shí)數據傳輸的每一幀由12位構成,其時(shí)序和每一位含義如圖3所示.
與從設備到主設備通信相比,其每幀數據多了一個(gè)ACK位.這是從設備應答接收到字節的應答位,由從設備通過(guò)拉低數據線(xiàn)產(chǎn)生,應答位ACK總
是為0.主設備到從設備通信過(guò)程中,主設備總是在時(shí)鐘線(xiàn)為低電平時(shí)改變數據線(xiàn)的狀態(tài),從設備在時(shí)鐘上升沿讀人數據線(xiàn)狀態(tài).
2 PS/2鍵盤(pán)的編碼與命令集
2.1 PS/2鍵盤(pán)的編碼
目前,PC機使用的PS/2鍵盤(pán)都默認采用第2套掃描碼集.掃描碼有兩種不同的類(lèi)型:“通碼(make code)”和“斷碼(break code)”.當一個(gè)鍵被按下或持續按住時(shí),鍵盤(pán)會(huì )將該鍵的通碼發(fā)送給主機;而當一個(gè)鍵被釋放時(shí),鍵盤(pán)會(huì )將該鍵的斷碼發(fā)送給主機.根據鍵盤(pán)按鍵掃描碼的不同,可將按鍵分為3類(lèi):
第1類(lèi)按鍵 通碼為一個(gè)字節,斷碼為0xF0+通碼形式.如A鍵,其通碼為0x1C;斷碼為0xF0 0x1C.
第2類(lèi)按鍵 通碼為兩字節0xE0+0xXX形式,斷碼為0xE0+0xF0+0xXX形式.如Right Ctrl鍵,其通碼為0xE0 0x14;斷碼為0xE0 0xF0 0x14.
第3類(lèi)特殊按鍵 有兩個(gè),Print Screen鍵,其通碼為0xE0 0x12 0xE0 0x7C;斷碼為0xE0 0xF0 0x7C 0xE0 0xF0 0x12.Pause鍵,其通碼為0xE1 0x14 0x77 0xE1 0xF0 0xl4 0xF0 0x77;斷碼為空.
組合按鍵掃描碼的發(fā)送是按照按鍵發(fā)生的次序,如按下面順序按左Shift十A鍵:① 按下左Shift鍵;② 按下A鍵;③ 釋放A鍵;④ 釋放左Shift鍵,那么計算機上接收到的一串數據為0x12 0x1C 0xF0 0x1C 0xF0 0x12.
在文中的驅動(dòng)程序設計中,就是根據按鍵的分類(lèi)對其分別進(jìn)行處理.
2.2 PS/2鍵盤(pán)的命令集
主機可通過(guò)向PS/2鍵盤(pán)發(fā)送命令對鍵盤(pán)進(jìn)行設置或者獲得鍵盤(pán)的狀態(tài)等操作.每發(fā)送一個(gè)字節,主機都會(huì )從鍵盤(pán)獲得一個(gè)應答0xFA(“重發(fā)
resend”和“回應echo”命令例外).驅動(dòng)程序在鍵盤(pán)初始化過(guò)程中所用的指令:0xED,主機在該命令后跟隨發(fā)送一個(gè)參數字節,用于指示鍵盤(pán)上Num Lock,Caps Lock,Scroll Lock Led的狀態(tài);0xF3,主機在這條命令后跟隨發(fā)送一個(gè)字節參數定義鍵盤(pán)機打的速率和延時(shí);0xF4,用于當主機發(fā)送0xF5禁止鍵盤(pán)后,重新使能鍵盤(pán).
3 PS/2鍵盤(pán)與單片機的連接電路
PS/2鍵盤(pán)與AT89C51單片機的連接方式如圖4所示.P1.0接PS/2數據線(xiàn);P3.2(INT0)接PS/2時(shí)鐘線(xiàn).因為單片機的P1,P3口內部是帶上拉電阻的,所以PS/2的時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)可以直接與單片機的P1,P3相連接.
4 驅動(dòng)程序設計
驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)使用Keil C51語(yǔ)言以及KeiluVision2編程環(huán)境.PS/2 104鍵盤(pán)驅動(dòng)程序主要任務(wù)是實(shí)現單片機與鍵盤(pán)間PS/2通信,同時(shí)將接收到的按鍵掃描碼轉換為該按鍵的鍵值KeyVal,提供給系統上層軟件使用.
4.1 單片機與鍵盤(pán)間PS/2通信的程序設計
在PS/2通信過(guò)程中,主設備(文中是單片機)是在時(shí)鐘信號為低時(shí)發(fā)送和接收數據信號.因為單片機向鍵盤(pán)發(fā)送的是指令,需要鍵盤(pán)回應,所以這
部分程序采用查詢(xún)方式;而單片機接收鍵盤(pán)數據時(shí),數據線(xiàn)上的信號在時(shí)鐘為低時(shí)已經(jīng)穩定,所以這部分程序采用中斷方式,且不需要在程序中加入延時(shí)程序.
單片機向PS/2鍵盤(pán)發(fā)送數據程序代碼為:
void ps2_sentchar(unsigned char sentchar){//ps2主設備向從設備發(fā)送數據
unsigned char sentbit_cnt= 0x00;
unsigned char sentchar_chk = 0x00;
EX0=0; //關(guān)外部中斷0
//發(fā)起一個(gè)傳送,發(fā)起始位
PS2_SGN_CLOCK = 0; //將時(shí)鐘線(xiàn)拉低并保持100 us
delay100us();
PS2_SGN_DATA= 0; //起始位
PS2_SGN_CLOCK = 1;
//發(fā)送DATA0-7
for(sentbit_cnt=0;sentbit_cnt< 8;sentbit_cnt++){
while(PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變?yōu)榈?br>PS2_SGN_DATA = sentchar& 0x01;//發(fā)送數據
if(PS2_SGN_DATA) sentchar_chk++; //計算校驗
while(!PS2_SGN_CL0CK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變高
sentchar>>=1; //待發(fā)送數據右移一位
}
//發(fā)送校驗位
while(PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變低
switch(sentchar_chk){
case 0:
case 2:
case 4:
case 6:PS2_SGN_DATA =1;break;//奇校驗
case 1:
case 3:
case 5:
case 7:PS2_SGN_DATA = 0;break;//奇校驗
default;break;
)
while(!PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變高
while(PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變低
PS2_SGN_DATA =1;//發(fā)送停止位,停止位總為1
while(!PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變高
while(PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變低
//接收ACK
//if(PS2_SGN_DATA) error();
//ACK信號由鍵盤(pán)發(fā)出,總為低電平
while(!PS2_SGN_CLOCK) _nop_(); //等待時(shí)鐘線(xiàn)變高
EX0= 1; //開(kāi)外部中斷0
}
單片機由PS/2鍵盤(pán)接收數據程序:外部中斷0設置為下降沿觸發(fā)
void int0() interrupt 0 using 0 {//
EX0=0; //關(guān)外部中斷0
switch(ps2_revchar_cnt){
case 1:
……
case 8:mcu_revchar<<=1;
if(PS2_SGN_DATA) mcu_revchar |= 0x01;
ps2_revchar_cnt++;
break;
case 0:ps2_revchar_cnt++;break; //開(kāi)始位,
case 9:ps2_revchar_cnt++;break; //校驗位,可添加校驗程序
case 10: _nop_();//停止位
ps2_revchar_cnt= 0;
revchar_flag=1;//置接收到數據標識位
break;
default:break;
}
EX0=1;//開(kāi)外部中斷0
}
4.2 鍵盤(pán)掃描碼轉換程序設計
由于鍵盤(pán)掃描碼無(wú)規律可循,因此由鍵盤(pán)掃描碼獲得相應按鍵的鍵值(字符鍵為其ASCII值,控制鍵如F1,Ctrl等為自定義值),只能通過(guò)查表的方式獲得.由于按鍵的3種類(lèi)型及部分按鍵對應著(zhù)兩個(gè)鍵值(如A鍵的鍵值根據Caps和Shift鍵狀態(tài)有0x41(A)和0x61(a)兩種),因此綜合考慮查表轉換速度和資源消耗,設計中使用4個(gè)鍵盤(pán)表:鍵盤(pán)掃描碼轉換基本集和切換集(kb_plain_map[NR_KEYS]與kb_shift_map[NR_KEYS]);包含E0前綴的鍵盤(pán)掃描碼轉換基本集和切換集(kbeO_plain_map[NR_KEYS]與kbe0_shiftmap[NR_KEYS]).PS/2 104鍵盤(pán)按鍵掃描碼最大值為0x83,所以設置NR_KEYS為132.所有4個(gè)鍵盤(pán)表的定義均為如下形式:KB_MAP[MAKE CODE]=KEYVAL,如果掃描碼對應的按鍵為空(如KB_MAP[0x00]),則定義相應鍵值為NULL_KEY(0x00).以下是鍵盤(pán)掃描碼基本集的部分代碼實(shí)例:
kb_plain_map[NR_KEYS]={……
NULL_KEY;0x2C;0x6B;0x69;0x6F;0x30;0x39;
NULL_KEY; //掃描碼0x40~0x47
//對應按鍵空,逗號,K,I,O,0,9,空
//對應鍵值0x00,',','k','i','o','O','9',0x00…… };
如此設計鍵盤(pán)轉換表的另一個(gè)好處在于,以后如需擴展支持有ACPI、Windows多媒體按鍵鍵盤(pán)時(shí),只需要將鍵表中相應處修改即可,如ACPI
Power按鍵通碼為0xE0 0x37,修改kbe0_plain_map[0x37]=KB_ACPI_PWR即可.
特殊按鍵Pause使用單獨程序處理,如果接收到0xE1就轉入這段程序.而Print Screen鍵則將其看作是兩個(gè)通碼分別為0xE0 0x12和0xE0 0x7C
的“虛鍵”的組合鍵處理.在驅動(dòng)程序中設定如下全局變量:led_status記錄Scroll Lock Led,Num Lock Led和Caps Lock Led的狀態(tài)(關(guān)為0,開(kāi)為1);agcs_status記錄左右Shift Ctrl Gui Alt狀態(tài),相應鍵按下則對應位為1,釋放為0.E0_FLAG接到0xE0置1;E1_FLAG接收到0xE1置1;F0_FLAG接收到0xF0置1.按鍵鍵值通過(guò)KeyVal提供上層程序使用.PS/2鍵盤(pán)掃描碼鍵值轉換程序ps2_codetrans()流程框架如圖5所示.
第1類(lèi)按鍵的掃描碼鍵值轉換程序代碼。
if(F0_FLAG){//接收掃描碼為斷碼
switch(mcu_revchar){//處理控制鍵
case 0x11:ages_status&=0xF7;break;//左alt釋放
case 0x12:ages_status&=0xFE;break;//左shift釋放
case 0x14:agcs_status&=0xFD;break;//左ctrl釋放
case 0x58;if(led_status&0x04) led_status &= 0x03; //caps lock
else led_status |=0x04;
ps2_ledchange();
break;
case 0x59: agcs_status &= 0xEF;break;//右shift釋放
case 0x77: if(led_status&0x02)led_status&=0x05;//num lock
else led_status |=0x02;
ps2_ledchange();
break;
case 0x7E:if(led_status&0x01) led_status&=0x06;//scroll lock
else led_status |=0x01;
ps2_ledchange();
break;
default;break;
}
F0_FLAG=0;
}
else{//接收掃描碼為通碼
if(led_status&0x04) caps_flag=1;else caps_flag = 0;
if(led_status&0x02) num_flag =1;else num_flag =0;
if(agcs_status&0x11) shift_flag = 1;else
shift_flag=0;
//掃描碼鍵值轉換
if((caps_flag == shift_flag) || (!num_flag)) KeyVal=kb_plain_map[mcu_revchar];
else KeyVal = kb_shift_map[mcu_revchar];
switch(mcu_revchar)(//處理控制鍵或狀態(tài)鍵
case 0x11:agcs_status|= 0x08;//左alt按下
Case 0x12:agcs_status|= 0x01;//左shift按下
case 0x14:agcs_status|= 0x02;//左ctrl按下
case 0x59:agcs_status|= 0x10;//右shift按下
default:break;
}
}
第2類(lèi)按鍵的掃描碼鍵值轉換程序與上面相似.注意:在退出該程序段時(shí),對E0_FLAG和F0_FLAG標識清0.Pause鍵的處理程序,如果接收到0xE1,置E1_FLAG=1,然后順次將后續接收到的7個(gè)字節數據和Pause的通碼后7個(gè)字節比較,一致則返回KeyVal=KB_PAUSE;在比較完所有7個(gè)字節后清除E1_FLAG標識.鍵盤(pán)初始化程序kb_init()流程為:
① 上電后,接收鍵盤(pán)上電自檢通過(guò)信號0xAA,或者自檢出錯信號0xFC.單片機接收為0xAA則進(jìn)入下一步,否則進(jìn)行出錯處理.
② 關(guān)LED指示,單片機發(fā)送0xED,然后接收鍵盤(pán)回應0xFA,接著(zhù)發(fā)送0x00接收0xFA.
③ 設置機打延時(shí)和速率:單片機發(fā)送0xF3,接收0xFA,發(fā)送0x00(250 ms,2.0 cps),接收0xFA.
④ 檢查L(cháng)ED,發(fā)送0xED,接收0xFA,發(fā)送0x07(開(kāi)所有LED),接收0xFA.發(fā)送0xED,接收0xFA,發(fā)送0x00(關(guān)LED),接收0xFA.
⑤ 允許鍵盤(pán),發(fā)送0xF4,接收0xFA.鍵盤(pán)LED改變ps2_ledchange()函數流程:發(fā)送0xED;接收0xFA;發(fā)送led_status;接收0xFA.
5 結語(yǔ)
該驅動(dòng)程序經(jīng)Keil uVision2 編譯,在A(yíng)T89C51單片機上運行通過(guò),實(shí)現了對PS/2 104鍵盤(pán)的支持,實(shí)現了對字符按鍵大小寫(xiě)切換,Num Lock切換、控制鍵及組合按鍵的支持.同時(shí)該程序對其他嵌入式或單片機系統中PS/2鍵盤(pán)的應用也有借鑒意義.
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