PS2接口鍵盤顯示實(shí)驗(yàn)
一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>1、學(xué)習(xí)用FPGA設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(xiě)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(guò)CLOCK（時(shí)鐘信號(hào)端）同步，并通過(guò)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(wú)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(lái)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(jiàn)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(shuō)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(lái)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(lái)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)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(lái)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(méi)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(guò)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(zhǎng)，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(lái)。
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(kāi)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(kāi)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(xiě)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)。 |
4、編寫(xiě)完VHDL程序后，保存起來(lái)。方法同實(shí)驗(yàn)一。
5、將自己編寫(xiě)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(guò)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(lái)。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(guò)編譯。
8、編譯仿真無(wú)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(lái)。
如果是調(diào)用的本書(shū)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(guò)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(shuō)明。
2、將實(shí)驗(yàn)原理、設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)。