【原创】FPGA开发手记(三) PS/2键盘
虽然Nexys3开发板是利用USB接口搭载键盘,但是其原理与PS/2键盘完全相同,现在就仅以PS/2键盘为例讲解如何将键盘搭载在开发板上。代码程序均在Nexys3上经过测试。
PS/2标准键盘使用6个接口,各个接口定义如下:

而对于USB键盘,有用的接口只有两个CLK以及DATA,同时需要+5V供电。这点很重要,但是FPGA的CMOS最大供电是3.3V,如何解决这个问题笔者也是花费了一番周折,文章末会提到。
PS/2标准的数据帧格式与串口通讯很相似,USB就是串口通讯的格式。起始为低电平,停止位为高电平。如果数据位中1的个数是偶数,校验位就为1;如果数据位中1的个数是奇数,校验位就为0,通常自己使用我们都不管校验位。其实就是奇校验。

当PC通过PS/2接口与从设备通信时,总是利用下降沿读取数据。键盘仅仅在数据线和时钟线都为高电平(即空闲态)时可以把数据传送给主机,一旦主机使用了总线,键盘在驱动总线前必须检查主机当前是否仍在发送数据。为了促进这一核查,时钟线将暂时作为发送完成信号。一旦主机把时钟线拉低,那么键盘将使时钟线变成高电平才可以传输数据。
PS/2型键盘主要使用扫描码来进行数据传输。每个按键被按下时都会被分配固定的扫描码,如果按键一直被按下,那么该按键码值将每隔100ms重复发送一次。当按键释放后,一个关键码F0发送后,该扫描码才会被发送。当使用上档键进行组合键时,也会产生上档键的码值,并且由主机决定到底是哪一个ASCII值。当组合键被释放后,一个E0和F0关键码发送后,按键扫描码才被发送。。大多数按键的扫描码如下图所示。

主机也会向键盘发送数据。下面是主机可能发送的常用命令的清单。
ED 使NumLock,CapsLock和ScrollLock LED灯发光。在接收到ED后键盘反馈FA码,然后主机发送一个用来设置LED显示状态的字节:第0位控制ScrollLock置位,第1位控制NumLock置位,第2位控制CapsLock置位;
EE 用来进行键盘测试,当键盘接受EE后将反馈EE;
F3 设置扫描码重复频率,当键盘接受FA反馈F3后,主机将发送第二个字符用来设置重复频率。
FE 重新发送。FE将使键盘重新发送最近的扫描码。
FF 重置。重置键盘。
3.源程序简介
PS/2键盘模块接口定义:

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 <= 'b0;
ps2_clk_r1 <= 'b0;
ps2_clk_r2 <= '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即为PS/2时钟信号下降沿的有效信号。然后,利用一个寄存器和计数器,存储8位有效数据帧。
//------------------------------------------------------
// 接受来自PS/2键盘的数据存储器
reg [:] ps2_byte_r; // 来自PS/2的数据寄存器
reg [:] temp_data; // 当前接受数据寄存器
reg [:] num; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
num <= 'd0;
temp_data <= 'd0;
end
else if (neg_ps2_clk) begin
case (num)
'd0: begin
num <= num + 'b1;
end
'd1: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd2: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd3: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd4: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd5: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd6: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd7: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd8: begin
num <= num + 'b1;
temp_data[] <= ps2_data;
end
'd9: begin
num <= num + 'b1;
end
'd10: begin
num <= 'b0;
end
default: num <= 'd0;
endcase
end
end // end always
通过当前按键状态,判断通码还是断码,并保存在ps2_byte_r的8位寄存器内。
//-------------------------------------
reg key_f0; // 松键标志位
reg ps2_state_r; // 当前状态,高电平表示有键按下 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
key_f0 <= 'b0;
ps2_state_r <= 'b0;
ps2_byte_r <= 'd0;
end
else if (num == 'd10) begin // 刚传输一个字节
if (temp_data == 'hf0) begin // 断码的第一个字节
key_f0 <= 'b1;
end
else begin
if (key_f0) begin // 存储通码
ps2_state_r <= 'b1;
ps2_byte_r <= temp_data;
key_f0 <= 'b0;
end
else begin
ps2_state_r <= 'b0;
key_f0 <= 'b0;
end
end
end
else ps2_state_r <= 'b0;
end // end always
利用case判断不同的通码,来决定字符的ASCII。
//---------------------------------------
reg [:] ps2_ascii; //接受相应的asciiI always @(posedge clk) begin
case (ps2_byte_r)
'h15: ps2_ascii = 8'h51; //Q
'h1d: ps2_ascii = 8'h57; //W
'h24: ps2_ascii = 8'h45; //E
'h2d: ps2_ascii = 8'h52; //R
'h2c: ps2_ascii = 8'h54; //T
'h35: ps2_ascii = 8'h59; //Y
'h3c: ps2_ascii = 8'h55; //U
'h43: ps2_ascii = 8'h49; //I
'h44: ps2_ascii = 8'h4f; //O
'h4d: ps2_ascii = 8'h50; //P
'h1c: ps2_ascii = 8'h41; //A
'h1b: ps2_ascii = 8'h53; //S
'h23: ps2_ascii = 8'h44; //D
'h2b: ps2_ascii = 8'h46; //F
'h34: ps2_ascii = 8'h47; //G
'h33: ps2_ascii = 8'h48; //H
'h3b: ps2_ascii = 8'h4a; //J
'h42: ps2_ascii = 8'h4b; //K
'h4b: ps2_ascii = 8'h4c; //L
'h1a: ps2_ascii = 8'h5a; //Z
'h22: ps2_ascii = 8'h58; //X
'h21: ps2_ascii = 8'h43; //C
'h2a: ps2_ascii = 8'h56; //V
'h32: ps2_ascii = 8'h42; //B
'h31: ps2_ascii = 8'h4e; //N
'h3a: ps2_ascii = 8'h4d; //M
default ps2_ascii = 'hfe;
endcase
end assign ps2_byte = ps2_ascii;
assign ps2_state = ps2_state_r;
以上就是程序代码的主要部分。最重要的还是管脚分配文件如何解决FPGA供电不足的问题。其实也很简单,只是我们平时不常用罢了。而且这也是官方标准ucf文件的一个错误。只需要将PS/2键盘的时钟线与数据线上拉即可,详细内容如下(只列举PS/2键盘部分):
NET "ps2_clk" LOC = L12 | IOSTANDARD = LVCMOS33 | PULLUP;
NET "ps2_data" LOC = J13 | IOSTANDARD = LVCMOS33 | PULLUP;
至此,笔者也只是将PS/2键盘搭载到了开发板上。但是如何更加灵活的利用键盘以及VGA,还需要仔细的设计各个寄存器的功能以及用法。
以下Demo内容需要连接VGA接口,按动键盘的A~Z的任意键,LED灯会显示对应的ASCII值。若按动A键,屏幕会显示字符a。(因为没有时间折腾字符提取软件,rom比较小只存了a的一个字符。喜欢的朋友也可以增加很多其他的字符。)若按动其他键,屏幕只显示一个白色矩形。
4.源程序
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