第十章PS/2鼠標接口控制器

10.1PS/2鼠標接口電路10.2PS/2傳輸子系統(tǒng)設計10.3PS/2鼠標數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)10.4PS/2鼠標數(shù)據(jù)接口電路本章小結 10.1PS/2鼠標接口電路

10.1.1關于鼠標

計算機上的鼠標是用來檢測在平面二維空間中的移動狀態(tài)和坐標的。其內部電路用來測量移動的相對距離以及按鍵狀態(tài)。對于PS/2接口的鼠標，鼠標的傳輸信息打包成三個數(shù)據(jù)包通過PS/2口發(fā)送出去；在傳輸過程中，數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送并且按照預先設定的采樣率持續(xù)傳輸。

PS/2端口的通信是雙向的。主設備可以發(fā)送命令參數(shù)給鍵盤和鼠標。對于鍵盤來說，不需要主設備向鍵盤發(fā)送參數(shù)，因為這樣會對鍵盤提出更高的要求。而鼠標不一樣，上電之后不發(fā)送任何信息給主設備，反而主設備需要首先發(fā)送命令初始化鼠標，使鼠標處于連續(xù)發(fā)送信息狀態(tài)。所以PS/2鼠標接口是需要支持雙向通信接口的。下面介紹PS/2的鼠標接口協(xié)議，并設計一個簡單的雙向鼠標數(shù)據(jù)傳輸接口電路。10.1.2鼠標PS/2通信協(xié)議

標準的PS/2鼠標接口數(shù)據(jù)不僅反映鼠標在X軸和Y軸的移動情況，而且還包括鼠標左鍵、中鍵、右鍵的狀態(tài)信息。鼠標電路包含一個內部計數(shù)器，其用來計算鼠標的每次移動量。當數(shù)據(jù)傳輸給主機時，計數(shù)器清零后重新開始計數(shù)。該計數(shù)器的值為一個9bit寬的帶符號整數(shù)，其正值代表向右或向上運動，其負值代表向左或向下運動。計數(shù)器與實際物理距離之間的關系由鼠標特性參數(shù)來決定。默認為每計數(shù)4次代表1mm。當鼠標持續(xù)移動時，數(shù)據(jù)以固定速率傳輸，這個速率由鼠標采樣率決定。默認采樣率為100次每秒。如果鼠標移動速率過快，采樣期間移動量計數(shù)值則有可能超過計數(shù)器的最大值。計數(shù)器在適當?shù)姆较蛟O置有最大幅度，并用兩位溢出位來指示這種情況。

反映鼠標的移動及點擊活動需要三個字節(jié)，它們被封裝在PS/2協(xié)議中。3個字節(jié)數(shù)據(jù)的具體格式以及含義如表10-1所示。包含有如下的信息：

(1)?X8，…，X0：在2秒完全模式下的X軸移動量；

(2)?Xv：X軸移動溢出；

(3)?Y8，…，Y0：在2秒完全模式下的Y軸移動量；

(4)?Yv；Y軸溢出；

(5)?l：左鍵狀態(tài)，當左鍵按下時為1；

(6)?r：右鍵狀態(tài)，當右鍵按下時為1；

(7)?m：可選擇中鍵，當鍵按下時為1。

傳輸過程中，字節(jié)1首先被發(fā)送，字節(jié)3最后被發(fā)送。10.1.3初始化過程

鼠標的操作相對于鍵盤的操作要復雜的多。它有各種不同的模式，通常用的最多的是串行流模式，即鼠標檢測有移動或者有鍵按下時，不斷將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，如果運動是持續(xù)的，數(shù)據(jù)按照設計的采樣率發(fā)送。

操作過程中，主機可以給鼠標發(fā)送命令，修改默認值或其他參數(shù)，來設置不同的操作模式，然后鼠標發(fā)送狀態(tài)信號進行響應。在設計中要求所有設置為默認值，不做變化，唯一任務是設置鼠標為持續(xù)數(shù)據(jù)流模式。這時PS/2和FPGA開發(fā)板之間的初始化步驟如下：

(1)上電時鼠標首先進行上電自檢，如果鼠標發(fā)送一個字節(jié)AA，則表示自檢通過；然后發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)00，為標準鼠標的ID號。

(2)?FPGA主機端發(fā)送命令F4，使能數(shù)據(jù)流模式，鼠標返回FE來響應命令。

(3)鼠標進入數(shù)據(jù)流模式，然后發(fā)送正常的數(shù)據(jù)包。

如果在FPGA板上電之前鼠標已經(jīng)插在了FPGA驗證板上，則當板子上電時，鼠標立即發(fā)送“AA00”，由于FPGA芯片當時還沒有被配置，那么將不能接收到鼠標發(fā)送的數(shù)據(jù)。所以通常會忽略上述步驟(1)，將鼠標接口時序電路做簡化，僅需要發(fā)送F4命令來檢測鼠標FE響應，然后直接進入正常工作狀態(tài)來傳輸鼠標數(shù)據(jù)包。也可以通過發(fā)送復位命令來強制鼠標返回到初始狀態(tài)。

(1)?FPGA主機端發(fā)送命令FE復位鼠標，鼠標將返回FE來響應。

(2)鼠標執(zhí)行上電自測，然后發(fā)送“AA00”，在這個過程中，數(shù)據(jù)流模式將被禁止。

新型鼠標增加了很多功能，比如鼠標帶有滾輪或者另外增加新的按鈕，這樣就需要發(fā)送更多的信息，這些多出來的字節(jié)將和原始的三字節(jié)數(shù)據(jù)打包一起發(fā)送。

10.2PS/2傳輸子系統(tǒng)設計

10.2.1主系統(tǒng)對PS/2設備的通信協(xié)議

主系統(tǒng)對PS/2設備的通信協(xié)議包含雙向數(shù)據(jù)交換。鼠標數(shù)據(jù)和時鐘為開漏極電路，可以認為它們?yōu)槿龖B(tài)門。基本時序傳輸協(xié)議如圖10-1所示，其中，數(shù)據(jù)和時鐘信號線標為ps2d和ps2c。可以清楚地發(fā)現(xiàn)，時序圖被分成兩部分，一部分反映主系統(tǒng)(host)的活動，而另一部分反映設備(mouse)的活動。基本操作時序如下：

(1)主設備強行置低ps2c至少100μs來禁止任何鼠標活動，可以認為是主系統(tǒng)請求發(fā)送數(shù)據(jù)包。

(2)主設備強行置低ps2d，禁止ps2c，可以認為是主機發(fā)送一個開始信號。

(3)此時PS/2從設備開始控制ps2c，負責PS/2時鐘信號的產生；當檢測到開始信號時，PS/2設備產生1到0的信號傳輸。

(4)一旦檢測到傳輸開始，主系統(tǒng)串行移位最低位數(shù)據(jù)在ps2d線上，并一直保持原值直到PS/2設備在ps2c線上產生1到0的跳變，也稱數(shù)據(jù)響應位。

(5)重復步驟(4)，直到剩余的7位數(shù)據(jù)和1位奇偶校校驗位發(fā)送結束。

(6)發(fā)送完奇偶校驗位之后，主機禁止ps2d(設為高阻態(tài))，PS/2從設備接管ps2d數(shù)據(jù)線并通過置ps2d為0來響應傳輸完成。根據(jù)需要，主設備可以通過在ps2c從1到0跳變時刻檢查ps2d上面的值來驗證是否成功傳輸。圖10-1PS/2接口主從設備之間的時序圖10.2.2設計與編碼

與前面講述的接收子系統(tǒng)不同之處在于ps2c與ps2d信號為雙向傳輸。每個信號都需要三態(tài)緩沖器，三態(tài)緩沖器的接口如圖10-2所示。tri_c與tri_d信號為三態(tài)緩沖器的使能信號，當置為1時，ps2c_out與ps2d_out信號傳輸?shù)捷敵龆丝冢駝tps2c_out與ps2d_out信號為高阻狀態(tài)。圖10-2PS/2傳輸子系統(tǒng)三態(tài)緩沖器 為了更加明確設計傳輸子系統(tǒng)的流程，根據(jù)鼠標數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議來畫出ASMD狀態(tài)圖，如圖10-3所示。狀態(tài)機起始狀態(tài)為空狀態(tài)(idle狀態(tài))。當主機置位wr_ps2信號并將數(shù)據(jù)放在din上時，狀態(tài)機啟動并裝載din信號和校驗位par，并一同送到移位寄存器shift_reg中，然后置c_reg寄存器為全1，c_reg寄存器由一個13位計數(shù)器組成，用來產生164μs的延遲。緊接著狀態(tài)機進入請求發(fā)送狀態(tài)(rts狀態(tài))。在rts狀態(tài)，狀態(tài)機置位ps2c_out為0，并將相對應三態(tài)緩沖器的使能位tri_c置位，判斷c_reg還沒有清零，狀態(tài)機進入開始狀態(tài)(start狀態(tài))。這時，ps2時鐘信號被禁止，數(shù)據(jù)線被置為0，PS/2設備接管并生成時鐘信號在ps2c信號線上。當通過fall_edge信號檢測到ps2c信號下降沿時，狀態(tài)機進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)(data狀態(tài))，開始移位8位數(shù)據(jù)和1位檢驗位，而寄存器n用來保持追蹤移位數(shù)目。當寄存器n為0，即數(shù)據(jù)移位傳輸結束時，狀態(tài)機進入停止位(stopstate)；此時，數(shù)據(jù)線被停止，當檢測到最后一個下降沿時返回到idle狀態(tài)。另外，狀態(tài)機還包含tx_idle信號來指示傳輸是否正在進行，此信號可以被用來作為與發(fā)送和接收接口模塊的狀態(tài)指示信號，具體細節(jié)如程序10-1所示。fall_edge信號也是通過與前面所述的濾波電路產生的。圖10-3PS/2發(fā)送子系統(tǒng)FSM流程圖

【程序10-1】PS/2發(fā)送子系統(tǒng)。

moduleps2_tx

(

input

wireclk,reset,

input

wirewr_ps2,

input

wire[7:0]din,

inout

wireps2d,ps2c,

output

regtx_idle,tx_done_tick

);

//狀態(tài)機狀態(tài)信號定義

localparam[2:0]

idle=3'b000,

rts=3'b001,

start??=3'b010,

data=3'b011,

stop=3'b100;

//信號聲明

reg[2:0]state_reg,state_next;

reg[7:0]filter_reg;

wire[7:0]filter_next;

regf_ps2c_reg;

wiref_ps2c_next;

reg[3:0]n_reg,n_next;

reg[8:0]b_reg,b_next;

reg[12:0]c_reg,c_next;

wirepar,fall_edge;

regps2c_out,ps2d_out;

regtri_c,tri_d;

//=================================================

//濾波和ps2c的下降沿檢測電路

//=================================================

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

begin

filter_reg<=0;

f_ps2c_reg<=0;

end

else

begin

filter_reg<=filter_next;

f_ps2c_reg<=f_ps2c_next;

end

assignfilter_next={ps2c,filter_reg[7:1]};

assignf_ps2c_next=(filter_reg==8'b11111111)?1'b1:

(filter_reg==8'b00000000)?1'b0:

f_ps2c_reg;

assignfall_edge=f_ps2c_reg&~f_ps2c_next;

//=============================================

//FSMD

//=============================================

//FSMD狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

begin

state_reg<=idle;

c_reg<=0;

n_reg<=0;

b_reg<=0;

end

else

begin

state_reg<=state_next;

c_reg<=c_next;

n_reg<=n_next;

b_reg<=b_next;

end

//偶校驗位

assignpar=~(^din);

//FSMD下一狀態(tài)邏輯

always@*

begin

state_next=state_reg;

c_next=c_reg;

n_next=n_reg;

b_next=b_reg;

tx_done_tick=1'b0;

ps2c_out=1'b1;

ps2d_out=1'b1;

tri_c=1'b0;

tri_d=1'b0;

tx_idle=1'b0;

case(state_reg)

idle:

begin

tx_idle=1'b1;

if(wr_ps2)

begin

b_next={par,din};

c_next=13'h1fff; //213-1

state_next=rts;

end

end

rts: //發(fā)送請求

begin

ps2c_out=1'b0;

tri_c=1'b1;

c_next=c_reg-1;

if(c_reg==0)

state_next=start;

end

start: //置位start

begin

ps2d_out=1'b0;

tri_d=1'b1;

if(fall_edge)

begin

n_next=4'h8;

state_next=data;

end

end

data: //8位數(shù)據(jù)+1位校驗

begin

ps2d_out=b_reg[0];

tri_d=1'b1;

if(fall_edge)

begin

b_next={1'b0,b_reg[8:1]};

if(n_reg==0)

state_next=stop;

else

n_next=n_reg-1;

end

end

stop://ps2d置位為高

if(fall_edge)

begin

state_next=idle;

tx_done_tick=1'b1;

end

endcase

end

//三態(tài)緩沖器

assignps2c=(tri_c)?ps2c_out:1'bz;

assignps2d=(tri_d)?ps2d_out:1'bz;

endmodule

本代碼中沒有錯誤檢查電路。更健壯的設計要求檢查校驗位的正確性，并且包含一個看門狗計數(shù)器來防止鼠標在錯誤的狀態(tài)下抖動。

10.3PS/2鼠標數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

10.3.1雙向傳輸PS/2接口電路設計

綜合接收和發(fā)送系統(tǒng)來設計雙向傳輸PS/2接口電路。圖10-4為設計模塊框圖，用tx_idle和rx_en作為狀態(tài)信號來調整傳輸和接收操作。傳輸操作優(yōu)先級略高，當系統(tǒng)正在進行傳輸時，tx_idle信號無效；否則，禁止接收操作。接收系統(tǒng)只有在傳輸系統(tǒng)為空的情況下才允許輸入，兩者輪流工作，具體細節(jié)如程序10-2所示。圖10-4雙向PS/2接口的頂層模塊圖

【程序10-2】雙向傳播PS/2接口電路。

moduleps2_rxtx

(

input

wireclk,reset,

input

wirewr_ps2,

inout

wireps2d,ps2c,

input

wire[7:0]din,

output

wirerx_done_tick,tx_done_tick,

output

wire[7:0]dout

);

//信號聲明

wiretx_idle;

//例化PS/2接收器

ps2_rxps2_rx_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.rx_en(tx_idle),

.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.rx_done_tick(rx_done_tick),.dout(dout));

//例化PS/2發(fā)送器

ps2_txps2_tx_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.wr_ps2(wr_ps2),

.din(din),.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.tx_idle(tx_idle),.tx_done_tick(tx_done_tick));

endmodule10.3.2雙向傳輸PS/2驗證電路

設計一個測試電路來驗證雙向傳輸PS/2接口電路，整體框圖如10-5所示。人工發(fā)送傳輸命令，用8位撥碼開關設置數(shù)據(jù)，然后用按鍵產生一個時鐘脈寬的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)包，接收數(shù)據(jù)包首先需要通過byte-to-ascii電路，將數(shù)據(jù)轉接成ASCII碼外加空格的形式，然后用UART發(fā)送到PC的超級終端上。具體細節(jié)如程序10-3所示。圖10-5PS/2雙向接口驗證電路【程序10-3】雙向傳輸PS/2驗證電路。

moduleps2_monitor

(

input

wireclk,reset,

input

wire[7:0]sw,

input

wire[2:0]btn,

inout

wireps2d,ps2c,

output

wiretx

);

//常數(shù)定義

localparamSP=8'h20; //spaceinASCII

//狀態(tài)聲明

localparam[1:0]

idle=2'b00,

send1=2'b01,

send0=2'b10,

sendb=2'b11;

//信號聲明

reg[1:0]state_reg,state_next;

wire[7:0]rx_data;

reg[7:0]w_data,ascii_code;

wirepsrx_done_tick,wr_ps2;

regwr_uart;

wire[3:0]hex_in;

//==============================================

//例化

//==============================================

//例化PS/2傳輸接收

ps2_rxtxps2_rxtx_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.wr_ps2(wr_ps2),

.din(sw),.dout(rx_data),.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.rx_done_tick(psrx_done_tick),.tx_done_tick());

//例化UART發(fā)送模塊

uartuart_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.rd_uart(1'b0),

.wr_uart(wr_uart),.rx(1'b1),.w_data(w_data),

.tx_full(),.rx_empty(),.r_data(),.tx(tx));

//例化按鍵防反彈電路

debouncebtn_db_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.sw(btn[0]),

.db_level(),.db_tick(wr_ps2));

//============================================

//發(fā)送ASCII字符狀態(tài)機模塊

//============================================

//狀態(tài)寄存器

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

state_reg<=idle;

else

state_reg<=state_next;

//下一狀態(tài)邏輯

always

@*

begin

wr_uart=1'b0;

w_data=SP;

state_next=state_reg;

case(state_reg)

idle:

if(psrx_done_tick) //接收掃描碼

state_next=send1;

send1: //發(fā)送十六進制字符高字節(jié)

begin

w_data=ascii_code;

wr_uart=1'b1;

state_next=send0;

end

send0: //發(fā)送十六進制字符低字節(jié)

begin

w_data=ascii_code;

wr_uart=1'b1;

state_next=sendb;

end

sendb: //發(fā)送空格字符

begin

w_data=SP;

wr_uart=1'b1;

state_next=idle;

end

endcase

end

//===========================================

//顯示掃描碼

//===========================================

//將掃描碼分離成兩個4bit十六進制數(shù)

assignhex_in=(state_reg==send1)?rx_data[7:4]:

rx_data[3:0];

//十六進制數(shù)到ASCII碼轉換電路

always@*

case(hex_in)

4'h0:ascii_code=8'h30;

4'h1:ascii_code=8'h31;

4'h2:ascii_code=8'h32;

4'h3:ascii_code=8'h33;

4'h4:ascii_code=8'h34;

4'h5:ascii_code=8'h35;

4'h6:ascii_code=8'h36;

4'h7:ascii_code=8'h37;

4'h8:ascii_code=8'h38;

4'h9:ascii_code=8'h39;

4'ha:ascii_code=8'h41;

4'hb:ascii_code=8'h42;

4'hc:ascii_code=8'h43;

4'hd:ascii_code=8'h44;

4'he:ascii_code=8'h45;

default:ascii_code=8'h46;

endcase

endmodule 10.4PS/2鼠標數(shù)據(jù)接口電路

10.4.1傳輸PS/2接口電路設計

PS/2接口電路是在PS/2雙向傳輸電路外面再包一層電路。其主要功能是使能串行流模式和處理三個傳輸數(shù)據(jù)字節(jié)。電路的輸出包括兩個9位信號：xm和ym，分別代表鼠標在X軸和Y軸的移動信號；btm為3位按鍵狀態(tài)信號；信號m_done_tick為一位時鐘脈寬長度的狀態(tài)信號，當傳輸數(shù)據(jù)有效時置位。

具體細節(jié)如程序10-4所示。程序主體狀態(tài)機由7個狀態(tài)組成。int1、int2和int3三個狀態(tài)為在reset有效之后執(zhí)行。在這三個狀態(tài)中，狀態(tài)機處理F4命令，等待數(shù)據(jù)傳輸后數(shù)據(jù)包開始響應，這時鼠標進入串行數(shù)據(jù)流模式。之后，狀態(tài)機在pack1、pack2和pack3三個狀態(tài)獲取和處理下一個三字節(jié)數(shù)據(jù)包，然后在done狀態(tài)激活m_done_tick信號，狀態(tài)機不斷循環(huán)后面四個狀態(tài)。

【程序10-4】基本鼠標接口電路。

modulemouse

(

input

wireclk,reset,

inout

wireps2d,ps2c,

output

wire[8:0]xm,ym,

output

wire[2:0]btnm,

output

regm_done_tick

);

//常數(shù)聲明

localparamSTRM=8'hf4; //數(shù)據(jù)流發(fā)送命令F4

//狀態(tài)聲明

localparam[2:0]

init1=3'b000,

init2=3'b001,

init3=3'b010,

pack1=3'b011,

pack2=3'b100,

pack3=3'b101,

done=3'b110;

//信號聲明

reg[2:0]state_reg,state_next;

wire[7:0]rx_data;

regwr_ps2;

wirerx_done_tick,tx_done_tick;

reg[8:0]x_reg,y_reg,x_next,y_next;

reg[2:0]btn_reg,btn_next;

//例化

ps2_rxtxps2_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.wr_ps2(wr_ps2),

.din(STRM),.dout(rx_data),.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.rx_done_tick(rx_done_tick),

.tx_done_tick(tx_done_tick));

//FSMD狀態(tài)和數(shù)據(jù)寄存器

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

begin

state_reg<=init1;

x_reg<=0;

y_reg<=0;

btn_reg<=0;

end

else

begin

state_reg<=state_next;

x_reg<=x_next;

y_reg<=y_next;

btn_reg<=btn_next;

end

//FSMD下一狀態(tài)邏輯

always

@*

begin

state_next=state_reg;

wr_ps2=1'b0;

m_done_tick=1'b0;

x_next=x_reg;

y_next=y_reg;

btn_next=btn_reg;

case(state_reg)

init1:

begin

wr_ps2=1'b1;

state_next=init2;

end

init2: //等待發(fā)送完畢

if(tx_done_tick)

state_next=init3;

init3: //等待數(shù)據(jù)包返回標志

if(rx_done_tick)

state_next=pack1;

pack1: //等待第一個數(shù)據(jù)包

if(rx_done_tick)

begin

state_next=pack2;

y_next[8]=rx_data[5];

x_next[8]=rx_data[4];

btn_next=rx_data[2:0];

end

pack2: //等待第二個數(shù)據(jù)包

if(rx_done_tick)

begin

state_next=pack3;

x_next[7:0]=rx_data;

end

pack3: //等待第三個數(shù)據(jù)包

if(rx_done_tick)

begin

state_next=done;

y_next[7:0]=rx_data;

end

done:

begin

m_done_tick=1'b1;

state_next=pack1;

end

endcase

end

//輸出邏輯

assignxm=x_reg;

assignym=y_reg;

assignbtnm=btn_reg;

endmodule

10.4.2傳輸PS/2接口電路測試

我們設計一個簡單的測試電