PS/2接口協(xié)議解析及應(yīng)用

關(guān)鍵詞：PS/2接口；串行通訊；單片機(jī)；鍵盤(pán)；CD4052

１ 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ＩＢＭ ＡＴ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。現(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。

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２．１ 物理連接器

一般，具有五腳連接器的鍵盤(pán)稱之為ＡＴ鍵盤(pán)，而具有六腳ｍｉｎｉ－ＤＩＮ連接器的鍵盤(pán)則稱之為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。

２．２ 電氣特性

ＰＳ／２通訊協(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

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

ＰＳ／２設(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。

３ 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）；

（５）輸出起始位（０）到數(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；

（６）輸出８?jìng)€(gè)數(shù)據(jù)位到數(shù)據(jù)線上；

（７）輸出校驗(yàn)位；

（８）輸出停止位（１）；

（９）延時(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：

（１）準(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）；

（２）延時(shí)２０μｓ；

（３）把時(shí)鐘線拉低；

（４）延時(shí)４０μｓ；

（５）釋放時(shí)鐘線；

（６）延時(shí)２０μｓ。

３．２ 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：

（１）等待時(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。

（３）讀地址線上的數(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。

（４）讀地址線上的校驗(yàn)位內(nèi)容，１個(gè)ｂｉｔ。

（５）讀停止位。

（６）如果數(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)）。

（７ 輸出應(yīng)答位。

（８） 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。

（９）延時(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：

（１）延時(shí)２０μｓ；

（２）把時(shí)鐘線拉低?

（３）延時(shí)４０μｓ?

（４）釋放時(shí)鐘線?

（５）延時(shí)２０μｓ?

（６）讀數(shù)據(jù)線。

下面的步驟可用于發(fā)出應(yīng)答位；

（１）延時(shí)１５μｓ；

（２）把數(shù)據(jù)線拉低；

（３）延時(shí)５μｓ；

（４）把時(shí)鐘線拉低；

（５）延時(shí)４０μｓ；

（６）釋放時(shí)鐘線；

（７）延時(shí)５μｓ；

（８）釋放數(shù)據(jù)線。

４　用于工控機(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），專用鍵盤(pán)接入工控ＰＣ ＰＳ／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：

＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ Ｐ００ 用Ｐ０．０做數(shù)據(jù)線

＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＬＫ Ｐ０１ 用Ｐ０．１做時(shí)鐘線

＃ｄｅｆｉｎｅ ＩＮＨＩＢＩＴ Ｐ０２ 用Ｐ０．２做ＣＤ４０５２的ＩＮＨ端

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＲ Ｐ１ 用Ｐ１口做讀入口

＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＷ Ｐ２ 用Ｐ２口做寫(xiě)出口 可以實(shí)現(xiàn)６４個(gè)自定義鍵

ｖｏｉｄ ｓｅｎｄ（ｕｃｈａｒ ｘ）／＊＊＊ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｓｅｎｄ 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) ／／ｉｆ ＣＬＫ 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

}

５　結(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)上的專用鍵盤(pán)等外設(shè)，并能夠按照用戶的要求開(kāi)發(fā)出專用的多功能鍵盤(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。