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--- ps2键盘模块 [2017/06/09 14:15]
anran 创建
+++ ps2键盘模块 [2020/01/18 21:38] (当前版本)
gongyu
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-======基于STEP FPGA的矩阵按键驱动======
+### 基于STEP FPGA的PS2键盘驱动
-本节将和大家一起使用FPGA驱动底板上的4x4矩阵键盘。
+本节将和大家一起使用FPGA驱动底板上的PS2接口的键盘外设。
+---
+#### 硬件说明
-====硬件说明====
+我们的[[STEP-BaseBoard]]底板上集成了PS2键盘的接口，可以供大家连接PS2键盘或PS2鼠标完成相应设计，接下来我们来了解PS2接口的硬件连接及PS2键盘的驱动方法。
--------
-在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，使用行线和列线分别连接到按键开关的两端，这样我们就可以通过4根行线和4根列线（共8个I/O口）连接16个按键，而且按键数量越多优势越明显。
-FPGA驱动矩阵按键模块，首先我们来了解矩阵按键的硬件连接：
 \\
-{{ :矩阵按键.jpg?800 |}}
+PS2接口连线非常简单，只需接4根线：
+  * 4号引脚VCC接供电电源，一般为5V供电，后经测试3.3V也可以
+  * 3号引脚GND接地即可
+  * 5号引脚时钟线和1号引脚数据线为两条双向的信号线
+  * 2号引脚和6号引脚为保留引脚，不需要连接
+{{ :ps2接口电路.jpg?600 |}}
+当PS2键盘上有按键按动或操作的时候，键盘会发信号给主机，PS2接口的时钟信号和数据信号的时序如下图：
+{{ :ps2键盘时序.jpg?800 |}}
+FPGA或主机接收键盘发回的数据，通过键盘的编码规则判定键盘当前的操作，扫描码有两种不同的类型：通码(make code)和断码(break code)。当一个键被按下或持续按住时,键盘会将该键的通码发送给主机;而当一个键被释放时,键盘会将该键的断码发送给主机。
 \\
-上图为4x4矩阵按键的硬件电路图，可以看到4根行线（ROW1、ROW2、ROW3、ROW4）和4根列线（COL1、COL2、COL3、COL4），同时列线通过上拉电阻连接到VCC电压（3.3V），对于矩阵按键来讲：
+根据键盘按键扫描码的不同,在此可将按键分为如下几类：
-  - 4根行线是输入的，是由FPGA控制拉高或拉低，
+  * 第一类按键,通码为1字节,断码为0xF0+通码形式。如A键,其通码为0x1C,断码为0xF0 0x1C。
-  - 4根列线数输出的，是由4根行线的输入及按键的状态决定，输出给FPGA
+  * 第二类按键,通码为2字节0xE0+0xXX形式,断码为0xE0+0xF0+0xXX形式。如right ctrl键,其通码为0xE0 0x14,断码为0xE0 0xF0 0x14。
-当某一时刻，FPGA控制4根行线分别为ROW1=0、ROW2=1、ROW3=1、ROW4=1时，
+  * 第三类特殊按键有两个,print screen键通码为0xE0 0x12 0xE0 0x7C,断码为0xE0 0xF0 0x7C 0xE0 0xF0 0x12; pause键通码为0x E1 0x14 0x77 0xE1 0xF0 0x14 0xF0 0x77,断码为空。
-  *   对于K1、K2、K3、K4按键：按下时对应4根列线输出COL1=0、COL2=0、COL3=0、COL4=0，不按时对应4根列线输出COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，
+组合按键的扫描码发送按照按键发生的次序,如以下面顺序按左SHIFT+A键：1按下左SHIFT键,2按下A键,3释放A键,4释放左SHIFT键,那么计算机上接收到的一串数据为0x12 0x1C 0xF0 0x1C 0xF0 0x12。
-  *   对于K5~~~K16之间的按键：无论按下与否，对应4根列线输出COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，
-通过上面的描述：在这一时刻只有K1、K2、K3、K4按键被按下，才会导致4根列线输出COL1=0、COL2=0、COL3=0、COL4=0，否则COL1=1、COL2=1、COL3=1、COL4=1，反之当FPGA检测到列线（COL1、COL2、COL3、COL4）中有低电平信号时，对应的K1、K2、K3、K4按键应该是被按下了。
-按照扫描的方式，一共分为4个时刻，分别对应4根行线中的一根拉低，4个时刻依次循环，这样就完成了矩阵按键的全部扫描检测，我们在程序中以这4个时刻对应状态机的4个状态。
-至于循环的周期，根据我们基础教程里可知，按键抖动的不稳定时间在10ms以内，所以对同一个按键采样的周期大于10ms，这同样取20ms时间。20ms时间对应4个状态，每5分钟进行一次状态转换。
 \\
-{{ :矩阵按键程序框图.jpg?800 |}}
+在驱动程序设计中,就是根据这样的分类来对不同的按键进行不同处理的，当前简单程序只支持第一类按键的操作。
 \\
-{{ :矩阵按键扫描法原理.jpg |}}
+键盘中不同按键的编码如下：
+{{ :键盘按键通码.jpg?800 |}}
 \\
-====Verilog代码====
-------
-<code verilog>
+#### Verilog代码
+<code verilog>
 // --------------------------------------------------------------------
 // >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
 // --------------------------------------------------------------------
-// Module: Array_KeyBoard
+// Module: Keyboard_PS2
 //
 // Author: Step
 //
-// Description: Array_KeyBoard
+// Description: PS2 keyboard driver
 //
 // Web: www.stepfapga.com
 //
 // --------------------------------------------------------------------
 // Code Revision History :
 // --------------------------------------------------------------------
 // Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
-// V1.0     |2015/11/11   |Initial ver
+// V1.0     |2016/04/20   |Initial ver
 // --------------------------------------------------------------------
-module Array_KeyBoard #
+module Keyboard_PS2
 (
-	parameter			NUM_FOR_200HZ = 60000	//定义计数器cnt的计数范围，例化时可更改
+input					clk_in,				//系统时钟
-)
+input					rst_n_in,			//系统复位，低有效
-(
+input					key_clk,			//PS2键盘时钟输入
-	input					clk_in,			//系统时钟
+input					key_data,			//PS2键盘数据输入
-	input					rst_n_in,		//系统复位，低有效
+output	reg				key_state,			//键盘的按下状态，按下为1，松开为0
-	input			[3:0]	col,			//矩阵按键列接口
+output	reg		[7:0]	key_ascii			//按键键值对应的ASCII编码
-	output	reg		[3:0]	row,			//矩阵按键行接口
-	output	reg		[15:0]	key_out			//消抖后的信号
 );
 /*
-因使用4x4矩阵按键，通过扫描方法实现，所以这里使用状态机实现，共分为4种状态
+这个模块为FPGA驱动PS2键盘的简单程序，只能支持键盘中第一类按键的单键按动，不支持多个按键同时按动
-在其中的某一状态时间里，对应的4个按键相当于独立按键，可按独立按键的周期采样法采样
+*/
-周期采样时每隔20ms采样一次，对应这里状态机每隔20ms循环一次，每个状态对应5ms时间
-对矩阵按键实现原理不明白的，请去了解矩阵按键实现原理
-*/
-	localparam			STATE0 = 2'b00;
-	localparam			STATE1 = 2'b01;
-	localparam			STATE2 = 2'b10;
-	localparam			STATE3 = 2'b11;
-	//计数器计数分频实现5ms周期信号clk_200hz
+reg		key_clk_r0 = 1'b1,key_clk_r1 = 1'b1;
-	reg		[15:0]		cnt;
+reg		key_data_r0 = 1'b1,key_data_r1 = 1'b1;
-	reg					clk_200hz;
+//对键盘时钟数据信号进行延时锁存
-	always@(posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
+always @ (posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
-		if(!rst_n_in) begin		//复位时计数器cnt清零，clk_200hz信号起始电平为低电平
+	if(!rst_n_in) begin
-			cnt <= 16'd0;
+		key_clk_r0 <= 1'b1;
-			clk_200hz <= 1'b0;
+		key_clk_r1 <= 1'b1;
-		end else begin
+		key_data_r0 <= 1'b1;
-			if(cnt >= ((NUM_FOR_200HZ>>1) - 1)) begin	//数字逻辑中右移1位相当于除2
+		key_data_r1 <= 1'b1;
-				cnt <= 16'd0;
+	end else begin
-				clk_200hz <= ~clk_200hz;	//clk_200hz信号取反
+		key_clk_r0 <= key_clk;
-			end else begin
+		key_clk_r1 <= key_clk_r0;
-				cnt <= cnt + 1'b1;
+		key_data_r0 <= key_data;
-				clk_200hz <= clk_200hz;
+		key_data_r1 <= key_data_r0;
-			end
-		end
 	end
+end
+//键盘时钟信号下降沿检测
+wire	key_clk_neg = key_clk_r1 & (~key_clk_r0);
-	reg		[1:0]		c_state;
+reg				[3:0]	cnt;
-	//状态机根据clk_200hz信号在4个状态间循环，每个状态对矩阵按键的行接口单行有效
+reg				[7:0]	temp_data;
-	always@(posedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
+//根据键盘的时钟信号的下降沿读取数据，详细参考PS2键盘数据的传输格式及时序
-		if(!rst_n_in) begin
+always @ (posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
-			c_state <= STATE0;
+	if(!rst_n_in) begin
-			row <= 4'b1110;
+		cnt <= 4'd0;
-		end else begin
+		temp_data <= 8'd0;
-			case(c_state)
+	end else if(key_clk_neg) begin
-				STATE0: begin c_state <= STATE1; row <= 4'b1101; end	//状态c_state跳转及对应状态下矩阵按键的row输出
+		if(cnt >= 4'd10) cnt <= 4'd0;
-				STATE1: begin c_state <= STATE2; row <= 4'b1011; end
+		else cnt <= cnt + 1'b1;
-				STATE2: begin c_state <= STATE3; row <= 4'b0111; end
+		case (cnt)
-				STATE3: begin c_state <= STATE0; row <= 4'b1110; end
+'d0: ;	//起始位
-				default:begin c_state <= STATE0; row <= 4'b1110; end
+'d1: temp_data[0] <= key_data_r1;  //数据位bit0
-			endcase
+'d2: temp_data[1] <= key_data_r1;  //数据位bit1
-		end
+'d3: temp_data[2] <= key_data_r1;  //数据位bit2
+'d4: temp_data[3] <= key_data_r1;  //数据位bit3
+'d5: temp_data[4] <= key_data_r1;  //数据位bit4
+'d6: temp_data[5] <= key_data_r1;  //数据位bit5
+'d7: temp_data[6] <= key_data_r1;  //数据位bit6
+'d8: temp_data[7] <= key_data_r1;  //数据位bit7
+'d9: ;	//校验位
+'d10:;	//结束位
+			default: ;
+		endcase
 	end
+end
-	//因为每个状态中单行有效，通过对列接口的电平状态采样得到对应4个按键的状态，依次循环
-	always@(negedge clk_200hz or negedge rst_n_in) begin
+reg						key_break = 1'b0;
-		if(!rst_n_in) begin
+reg				[7:0]	key_byte = 1'b0;
-			key_out <= 16'hffff;
+//根据通码和断码判定按键的当前是按下还是松开
-		end else begin
+always @ (posedge clk_in or negedge rst_n_in) begin
-			case(c_state)
+	if(!rst_n_in) begin
-				STATE0:key_out[3:0] <= col;		//采集当前状态的列数据赋值给对应的寄存器位
+		key_break <= 1'b0;
-				STATE1:key_out[7:4] <= col;
+		key_state <= 1'b0;
-				STATE2:key_out[11:8] <= col;
+		key_byte <= 1'b0;
-				STATE3:key_out[15:12] <= col;
+	end else if(cnt==4'd10 && key_clk_neg) begin
-				default:key_out <= 16'hffff;
+		if(temp_data == 8'hf0) key_break <= 1'b1;	//收到段码（8'hf0）表示按键松开，设置断码标示为1
-			endcase
+		else if(!key_break) begin 	//当断码标示为0时，表示当前数据为按下数据，输出键值并设置按下标示为1
+			key_state <= 1'b1;
+			key_byte <= temp_data;
+		end else begin	//当断码标示为1时，标示当前数据为松开数据，断码标示和按下标示都清零
+			key_state <= 1'b0;
+			key_break <= 1'b0;
 		end
 	end
+end
+//将键盘返回的有效键值转换为按键字母对应的ASCII码值
+always @ (key_byte) begin
+	case (key_byte)    //translate key_byte to key_ascii
+'h15: key_ascii = "Q";//8'h51;   //Q
+'h1d: key_ascii = "W";//8'h57;   //W
+'h24: key_ascii = "E";//8'h45;   //E
+'h2d: key_ascii = "R";//8'h52;   //R
+'h2c: key_ascii = "T";//8'h54;   //T
+'h35: key_ascii = "Y";//8'h59;   //Y
+'h3c: key_ascii = "U";//8'h55;   //U
+'h43: key_ascii = "I";//8'h49;   //I
+'h44: key_ascii = "O";//8'h4f;   //O
+'h4d: key_ascii = "P";//8'h50;   //P
+'h1c: key_ascii = "A";//8'h41;   //A
+'h1b: key_ascii = "S";//8'h53;   //S
+'h23: key_ascii = "D";//8'h44;   //D
+'h2b: key_ascii = "F";//8'h46;   //F
+'h34: key_ascii = "G";//8'h47;   //G
+'h33: key_ascii = "H";//8'h48;   //H
+'h3b: key_ascii = "J";//8'h4a;   //J
+'h42: key_ascii = "K";//8'h4b;   //K
+'h4b: key_ascii = "L";//8'h4c;   //L
+'h1a: key_ascii = "Z";//8'h5a;   //Z
+'h22: key_ascii = "X";//8'h58;   //X
+'h21: key_ascii = "C";//8'h43;   //C
+'h2a: key_ascii = "V";//8'h56;   //V
+'h32: key_ascii = "B";//8'h42;   //B
+'h31: key_ascii = "N";//8'h4e;   //N
+'h3a: key_ascii = "M";//8'h4d;   //M
+		default: ;
+	endcase
+end
 endmodule
 </code>
-\\
 \\
+---
+#### 小结
-====小结====
+本节主要为大家讲解了PS2接口电路、PS2键盘编码规则及使用FPGA简单驱动PS2键盘的方法，需要大家掌握的同时自己创建工程，通过整个设计流程，生成FPGA配置文件加载测试。
-------
-本节主要为大家讲解了矩阵按键的工作原理及软件设计，需要大家掌握的同时自己创建工程，通过整个设计流程，生成FPGA配置文件加载测试。
 \\
 如果你对Diamond软件的使用不了解，请参考这里：[[lattice_diamond的使用|Diamond的使用]]。
-====相关资料====
+---
-------
+#### 相关资料
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-使用[[STEP-MXO2第二代]]的矩阵按键程序:  后续会有下载连接  待更新
+使用[[STEP-MXO2第二代]]的PS2键盘驱动程序:  后续会有下载连接  待更新
 \\
-使用[[STEP-MAX10]]的矩阵按键程序:  后续会有下载连接  待更新
+使用[[STEP-MAX10]]的PS2键盘驱动程序:  后续会有下载连接  待更新
 \\