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淺談PS/2接口協(xié)議的剖析

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淺談PS/2接口協(xié)議的剖析

論文摘要:文中詳細(xì)介紹了PS/2接口協(xié)議的內(nèi)容、電氣特性和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的第二套鍵盤(pán)掃描碼集。給出了基于嵌入式系統(tǒng)的PS/2接口的軟、硬件實(shí)現(xiàn)方法,并介紹了工控PC外接雙鍵盤(pán)的解決方案。通過(guò)使用模擬開(kāi)關(guān)CD4052巧妙地解決了工控PC外接雙鍵盤(pán)的沖突問(wèn)題。 
 。 PS/2接口標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過(guò)程
  隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展,作為計(jì)算機(jī)最常用輸入設(shè)備的鍵盤(pán)也日新月異。1981年IBM推出了IBM PC/XT鍵盤(pán)及其接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了83鍵,采用5腳DIN連接器和簡(jiǎn)單的串行協(xié)議。實(shí)際上,第一套鍵盤(pán)掃描碼集并沒(méi)有主機(jī)到鍵盤(pán)的命令。為此,1984年IBM推出了IBMAT鍵盤(pán)接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了84~101鍵,采用5腳DIN連接器和雙向串行通訊協(xié)議,此協(xié)議依照第二套鍵盤(pán)掃描碼集設(shè)有8?jìng)(gè)主機(jī)到鍵盤(pán)的命令。到了1987年,IBM又推出了PS/2鍵盤(pán)接口標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)仍舊定義了84~101鍵,但是采用6腳mini-DIN連接器,該連接器在封裝上更小巧,仍然用雙向串行通訊協(xié)議并且提供有可選擇的第三套鍵盤(pán)掃描碼集,同時(shí)支持17個(gè)主機(jī)到鍵盤(pán)的命令,F(xiàn)在,市面上的鍵盤(pán)都和PS/2及AT鍵盤(pán)兼容,只是功能不同而已。

  2。校樱步涌谟布
 。玻 物理連接器
  一般,具有五腳連接器的鍵盤(pán)稱(chēng)之為AT鍵盤(pán),而具有六腳mini-DIN連接器的鍵盤(pán)則稱(chēng)之為PS/2鍵盤(pán)。其實(shí)這兩種連接器都只有四個(gè)腳有意義。它們分別是Clock(時(shí)鐘腳)、Data?數(shù)據(jù)腳?、+5V(電源腳)和Ground(電源地)。在PS/2鍵盤(pán)與PC機(jī)的物理連接上只要保證這四根線一一對(duì)應(yīng)就可以了。PS/2鍵盤(pán)靠PC的PS/2端口提供+5V電源,另外兩個(gè)腳Clock(時(shí)鐘腳)和Data?數(shù)據(jù)腳?都是集電極開(kāi)路的,所以必須接大阻值的上拉電阻。它們平時(shí)保持高電平,有輸出時(shí)才被拉到低電平,之后自動(dòng)上浮到高電平,F(xiàn)在比較常用的連接器如圖1所示。
 。玻 電氣特性
 。校樱餐ㄓ崊f(xié)議是一種雙向同步串行通訊協(xié)議。通訊的兩端通過(guò)Clock(時(shí)鐘腳)同步,并通過(guò)Data(數(shù)據(jù)腳)交換數(shù)據(jù)。任何一方如果想抑制另外一方通訊時(shí),只需要把Clock(時(shí)鐘腳)拉到低電平。如果是PC機(jī)和PS/2鍵盤(pán)間的通訊,則PC機(jī)必須做主機(jī),也就是說(shuō),PC機(jī)可以抑制PS/2鍵盤(pán)發(fā)送數(shù)據(jù),而PS/2鍵盤(pán)則不會(huì)抑制PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。一般兩設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)的最大時(shí)鐘頻率是33kHz,大多數(shù)PS/2設(shè)備工作在10~20kHz。推薦值在15kHz左右,也就是說(shuō),Clock(時(shí)鐘腳)高、低電平的持續(xù)時(shí)間都為40μs。每一數(shù)據(jù)幀包含11~12個(gè)位,具體含義如表1所列。

  表1 數(shù)據(jù)幀格式說(shuō)明
1個(gè)起始位總是邏輯0
8個(gè)數(shù)據(jù)位(LSB)低位在前
1個(gè)奇偶校驗(yàn)位奇校驗(yàn)
1個(gè)停止位總是邏輯1
1個(gè)應(yīng)答位僅用在主機(jī)對(duì)設(shè)備的通訊中

  表中,如果數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù),校驗(yàn)位就為1;如果數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù),校驗(yàn)位就為0;總之,數(shù)據(jù)位中1的個(gè)數(shù)加上校驗(yàn)位中1的個(gè)數(shù)總為奇數(shù),因此總進(jìn)行奇校驗(yàn)。
  2.3 PS/2設(shè)備和PC機(jī)的通訊
 。校樱苍O(shè)備的Clock(時(shí)鐘腳)和Data?數(shù)據(jù)腳?都是集電極開(kāi)路的,平時(shí)都是高電平。當(dāng)PS/2設(shè)備等待發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),它首先檢查Clock(時(shí)鐘腳)以確認(rèn)其是否為高電平。如果是低電平,則認(rèn)為是PC機(jī)抑制了通訊,此時(shí)它必須緩沖需要發(fā)送的數(shù)據(jù)直到重新獲得總線的控制權(quán)(一般PS/2鍵盤(pán)有16個(gè)字節(jié)的緩沖區(qū),而PS/2鼠標(biāo)只有一個(gè)緩沖區(qū)僅存儲(chǔ)最后一個(gè)要發(fā)送的數(shù)據(jù))。如果Clock(時(shí)鐘腳)為高電平,PS/2設(shè)備便開(kāi)始將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)。一般都是由PS/2設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。發(fā)送時(shí)一般都是按照數(shù)據(jù)幀格式順序發(fā)送。其中數(shù)據(jù)位在Clock(時(shí)鐘腳)為高電平時(shí)準(zhǔn)備好,在Clock(時(shí)鐘腳)的下降沿被PC機(jī)讀入。PS/2設(shè)備到PC機(jī)的通訊時(shí)序如圖2所示。
  當(dāng)時(shí)鐘頻率為15kHz時(shí),從Clock(時(shí)鐘腳)的上升沿到數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)變時(shí)間至少要5μs。數(shù)據(jù)變化到Clock(時(shí)鐘腳)下降沿的時(shí)間至少也有5 μs,但不能大于25 μs,這是由PS/2通訊協(xié)議的時(shí)序規(guī)定的。如果時(shí)鐘頻率是其它值,參數(shù)的內(nèi)容應(yīng)稍作調(diào)整。
  上述討論中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是指對(duì)特定鍵盤(pán)的編碼或者對(duì)特定命令的編碼。一般采用第二套掃描碼集所規(guī)定的碼值來(lái)編碼。其中鍵盤(pán)碼分為通碼(Make)和斷碼(Break)。通碼是按鍵接通時(shí)所發(fā)送的編碼,用兩位十六進(jìn)制數(shù)來(lái)表示,斷碼通常是按鍵斷開(kāi)時(shí)所發(fā)送的編碼,用四位十六進(jìn)制數(shù)來(lái)表示。
 。 PS/2接口的嵌入式軟件編程方法
  PS/2設(shè)備主要用于產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號(hào)和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。
  3.1 PS/2向PC機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)

    從PS/2向PC機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)可按照下面的步驟進(jìn)行:
  (1)檢測(cè)時(shí)鐘線電平,如果時(shí)鐘線為低,則延時(shí)50μs; 
  (2)檢測(cè)判斷時(shí)鐘信號(hào)是否為高,為高,則向下執(zhí)行,為低,則轉(zhuǎn)到(1);
  (3)檢測(cè)數(shù)據(jù)線是否為高,如果為高則繼續(xù)執(zhí)行,如果為低,則放棄發(fā)送(此時(shí)PC機(jī)在向PS/2設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),所以PS/2設(shè)備要轉(zhuǎn)移到接收程序處接收數(shù)據(jù));
  (4)延時(shí)20μs(如果此時(shí)正在發(fā)送起始位,則應(yīng)延時(shí)40μs);
 。ǎ担┹敵銎鹗嘉唬ǎ埃┑綌(shù)據(jù)線上。這里要注意的是:在送出每一位后都要檢測(cè)時(shí)鐘線,以確保PC機(jī)沒(méi)有抑制PS/2設(shè)備,如果有則中止發(fā)送;
 。ǎ叮┹敵觯?jìng)(gè)數(shù)據(jù)位到數(shù)據(jù)線上;
 。ǎ罚┹敵鲂r(yàn)位;
 。ǎ福┹敵鐾V刮唬ǎ保
 。ǎ梗┭訒r(shí)30μs(如果在發(fā)送停止位時(shí)釋放時(shí)鐘信號(hào)則應(yīng)延時(shí)50μs);
  通過(guò)以下步驟可發(fā)送單個(gè)位:
 。ǎ保(zhǔn)備數(shù)據(jù)位(將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)位放到數(shù)據(jù)線上);
 。ǎ玻┭訒r(shí)20μs;
 。ǎ常┌褧r(shí)鐘線拉低;
 。ǎ矗┭訒r(shí)40μs;
  (5)釋放時(shí)鐘線;
  (6)延時(shí)20μs。
 。常 PS/2設(shè)備從PC機(jī)接收一個(gè)字節(jié)
  由于PS/2設(shè)備能提供串行同步時(shí)鐘,因此,如果PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),則PC機(jī)要先把時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線置為請(qǐng)求發(fā)送的狀態(tài)。PC機(jī)通過(guò)下拉時(shí)鐘線大于100μs來(lái)抑制通訊,并且通過(guò)下拉數(shù)據(jù)線發(fā)出請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號(hào),然后釋放時(shí)鐘。當(dāng)PS/2設(shè)備檢測(cè)到需要接收的數(shù)據(jù)時(shí),它會(huì)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并記錄下面8?jìng)(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。主機(jī)此時(shí)在時(shí)鐘線變?yōu)榈蜁r(shí)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線,并在時(shí)鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)。而PS/2設(shè)備則要配合PC機(jī)才能讀到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。具體連接步驟如下:
 。ǎ保┑却龝r(shí)鐘線為高電平。
  (2)判斷數(shù)據(jù)線是否為低,為高則錯(cuò)誤退出,否則繼續(xù)執(zhí)行。
 。ǎ常┳x地址線上的數(shù)據(jù)內(nèi)容,共8?jìng)(gè)bit,每讀完一個(gè)位,都應(yīng)檢測(cè)時(shí)鐘線是否被PC機(jī)拉低,如果被拉低則要中止接收。
 。ǎ矗┳x地址線上的校驗(yàn)位內(nèi)容,1個(gè)bit。
 。ǎ担┳x停止位。
 。ǎ叮┤绻麛(shù)據(jù)線上為0(即還是低電平),PS/2設(shè)備繼續(xù)產(chǎn)生時(shí)鐘,直到接收到1且產(chǎn)生出錯(cuò)信號(hào)為止(因?yàn)橥V刮皇牵保绻校樱苍O(shè)備沒(méi)有讀到停止位,則表明此次傳輸出錯(cuò))。
 。ǎ 輸出應(yīng)答位。
 。ǎ福 檢測(cè)奇偶校驗(yàn)位,如果校驗(yàn)失敗,則產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)以表明此次傳輸出現(xiàn)錯(cuò)誤。
 。ǎ梗┭訒r(shí)45 μs,以便PC機(jī)進(jìn)行下一次傳輸。
  讀數(shù)據(jù)線的步驟如下:
 。ǎ保┭訒r(shí)20μs;
 。ǎ玻┌褧r(shí)鐘線拉低?
 。ǎ常┭訒r(shí)40μs?
 。ǎ矗┽尫艜r(shí)鐘線?
 。ǎ担┭訒r(shí)20μs?
 。ǎ叮┳x數(shù)據(jù)線。
  下面的步驟可用于發(fā)出應(yīng)答位;
 。ǎ保┭訒r(shí)15μs;
 。ǎ玻┌褦(shù)據(jù)線拉低;
 。ǎ常┭訒r(shí)5μs;
 。ǎ矗┌褧r(shí)鐘線拉低;
 。ǎ担┭訒r(shí)40μs;
 。ǎ叮┽尫艜r(shí)鐘線;
  (7)延時(shí)5μs;
  (8)釋放數(shù)據(jù)線。

 。础∮糜诠た貦C(jī)的雙鍵盤(pán)設(shè)計(jì)
  工控機(jī)通常要接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán),但是為了方便操作,常常需要外接一個(gè)專(zhuān)用鍵盤(pán)。此實(shí)例介紹了在工控PC機(jī)到PS/2總線上再接入一個(gè)自制專(zhuān)用鍵盤(pán)的應(yīng)用方法。
  該設(shè)計(jì)應(yīng)能保證兩個(gè)鍵盤(pán)單獨(dú)工作,而且相互不能影響。因此,不能直接把專(zhuān)用鍵盤(pán)和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)一起接到工控PC的PS/2口。鑒于這種情況,本設(shè)計(jì)使用模擬開(kāi)關(guān)CD4052并通過(guò)時(shí)分復(fù)用工控PC的PS/2口,來(lái)使在同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)鍵盤(pán)有效,從而解決上述問(wèn)題。其硬件原理圖如圖3所示。其中P2口和P1口用于鍵盤(pán)掃描電路(圖中未畫(huà)出),P0.0為數(shù)據(jù)端,P0.1為時(shí)鐘端,P0.2為模擬開(kāi)關(guān)選通端。由于專(zhuān)用鍵盤(pán)不需要接收工控PC機(jī)的命令,所以軟件中并不需要寫(xiě)這部分相應(yīng)的代碼。
  通過(guò)軟件可在專(zhuān)用鍵盤(pán)復(fù)位后把P0.2清0,以使模擬開(kāi)關(guān)CD4052打開(kāi)相應(yīng)的通道。這時(shí)工控PC的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)將開(kāi)始工作。標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)可以完成工控PC剛啟動(dòng)時(shí)對(duì)外設(shè)檢測(cè)的應(yīng)答。復(fù)位后的專(zhuān)用鍵盤(pán)不停地掃描有沒(méi)有按鍵,如果有鍵按下則識(shí)別按鍵,并且按照預(yù)先的設(shè)計(jì)進(jìn)行編碼,同時(shí)調(diào)用發(fā)送程序并通過(guò)PS/2口發(fā)送到工控PC。此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)關(guān)閉相應(yīng)通道(將P0.2置1),專(zhuān)用鍵盤(pán)接入工控PCPS/2口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線而工作,但標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)被模擬開(kāi)關(guān)從PS/2的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線中斷而不工作,這樣,雙鍵盤(pán)便可時(shí)分復(fù)用同一個(gè)工控PC機(jī)的PS/2口。相應(yīng)的發(fā)送子程序如下:
 。#洌澹妫椋睿 DATAP00 用P0.0做數(shù)據(jù)線
  #define CLKP01 用P0.1做時(shí)鐘線
 。#洌澹妫椋睿 INHIBITP02 用P0.2做CD4052的INH端
 。#洌澹妫椋睿 PORTRP1 用P1口做讀入口
  #define PORTWP2 用P2口做寫(xiě)出口 可以實(shí)現(xiàn)64個(gè)自定義鍵
 。觯铮椋 send(ucharx)/***function forsend a char da-ta***/
{
uchar i,temp,char_temp; 
bit flag_check=1;
INHIBIT=1;//disable standard keyboard
delay_ ms(3);
temp=x;
for(i=0;i<8;i++)//find the number of 1 in this uchar x is odd or not
{
char_temp=temp&0x01;
if(char_temp==0x01)
{
flag_check=!flag_check;
}
temp=temp>>1;
}
CLK=1;//send 1 to P1 then read P1
while (!CLK) //ifCLK is low wait
{
;
}
CLK=1;DATA=1;//send 1 to P1 then read P1
if(CLK==1)
{
delay_us(30);//
}
if(CLK==1&&DATA==1)//send data
{
DATA=0;//start bit 0
delay_us(10);
CLK=0;
delay_us(5);//
temp=x;
for(i=0;i<8;i++)//send 8 bits LSBfirst
{
CLK=1;
delay_us(5);
char_temp=temp&0x01;
if(char_temp==0x01)
{
DATA=1;
}
else
{
DATA=0;
}
//DATA=(bit)(temp&0x01);
//LSB
delay_us(10);
CLK=0;
delay_us(5);
temp=temp>>1;
}
CLK=1;//send check bit
delay_us(5);?
DATA=flag_check;
delay_us(10);?
CLK=0;
delay_us(5)
CLK=1;//send stop bit
delay_us(5);?
DATA=1;
delay us?10??
CLK=0?
delay_us(5);?
CLK=1;
delay_us(30);? ?
CLK=1;DATA=1;//send 1 to P1 then read P1
if(CLK==1&&DATA==0)
{
return; //pc is sending data to mcu, go to
receiving function
}
INHIBIT=0; //enable standard keyboard
}
 。怠〗Y(jié)論
  PS/2接口協(xié)議是現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)與PC機(jī)通訊的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其中鼠標(biāo)對(duì)PC機(jī)的通訊更為簡(jiǎn)單,只是傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容不一樣而已。充分理解PS/2接口協(xié)議,可以幫助設(shè)計(jì)者自主開(kāi)發(fā)一些工控機(jī)上的專(zhuān)用鍵盤(pán)等外設(shè),并能夠按照用戶的要求開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的多功能鍵盤(pán)。該工控機(jī)的雙鍵盤(pán)設(shè)計(jì)目前已被某工控公司所采納,并已作為組件加入到產(chǎn)品當(dāng)中            

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