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淺談PS/2接口協議的剖析
論文摘要：文中詳細介紹了PS/2接口協議的內容、電氣特性和標準鍵盤的第二套鍵盤掃描碼集。給出了基于嵌入式系統的PS/2接口的軟、硬件實現方法，并介紹了工控PC外接雙鍵盤的解決方案。通過使用模擬開關CD4052巧妙地解決了工控PC外接雙鍵盤的沖突問題。�。� ＰＳ／２接口標準的發展過程
隨著計算機工業的發展，作為計算機最常用輸入設備的鍵盤也日新月異。１９８１年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＰＣ／ＸＴ鍵盤及其接口標準。該標準定義了８３鍵，采用５腳ＤＩＮ連接器和簡單的串行協議。實際上，第一套鍵盤掃描碼集并沒有主機到鍵盤的命令。為此，１９８４年ＩＢＭ推出了ＩＢＭＡＴ鍵盤接口標準。該標準定義了８４～１０１鍵，采用５腳ＤＩＮ連接器和雙向串行通訊協議，此協議依照第二套鍵盤掃描碼集設有８個主機到鍵盤的命令。到了１９８７年，ＩＢＭ又推出了ＰＳ／２鍵盤接口標準。該標準仍舊定義了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議并且提供有可選擇的第三套鍵盤掃描碼集，同時支持１７個主機到鍵盤的命令�，F在，市面上的鍵盤都和ＰＳ／２及ＡＴ鍵盤兼容，只是功能不同而已。
�。病。校樱步涌谟布�
�。玻� 物理連接器
一般，具有五腳連接器的鍵盤稱之為ＡＴ鍵盤，而具有六腳ｍｉｎｉ－ＤＩＮ連接器的鍵盤則稱之為ＰＳ／２鍵盤。其實這兩種連接器都只有四個腳有意義。它們分別是Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）、Ｄａｔａ?數據腳?、＋５Ｖ（電源腳）和Ｇｒｏｕｎｄ（電源地）。在ＰＳ／２鍵盤與ＰＣ機的物理連接上只要保證這四根線一一對應就可以了。ＰＳ／２鍵盤靠ＰＣ的ＰＳ／２端口提供＋５Ｖ電源，另外兩個腳Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）和Ｄａｔａ?數據腳?都是集電極開路的，所以必須接大阻值的上拉電阻。它們平時保持高電平，有輸出時才被拉到低電平，之后自動上浮到高電平。現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議是一種雙向同步串行通訊協議。通訊的兩端通過Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）同步，并通過Ｄａｔａ（數據腳）交換數據。任何一方如果想抑制另外一方通訊時，只需要把Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）拉到低電平。如果是ＰＣ機和ＰＳ／２鍵盤間的通訊，則ＰＣ機必須做主機，也就是說，ＰＣ機可以抑制ＰＳ／２鍵盤發送數據，而ＰＳ／２鍵盤則不會抑制ＰＣ機發送數據。一般兩設備間傳輸數據的最大時鐘頻率是３３ｋＨｚ，大多數ＰＳ／２設備工作在１０～２０ｋＨｚ。推薦值在１５ｋＨｚ左右，也就是說，Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）高、低電平的持續時間都為４０μｓ。每一數據幀包含１１～１２個位，具體含義如表１所列。
表1 數據幀格式說明
1個起始位總是邏輯0
8個數據位（LSB）低位在前
1個奇偶校驗位奇校驗
1個停止位總是邏輯1
1個應答位僅用在主機對設備的通訊中
表中，如果數據位中１的個數為偶數，校驗位就為１；如果數據位中１的個數為奇數，校驗位就為０；總之，數據位中１的個數加上校驗位中１的個數總為奇數，因此總進行奇校驗。
�。玻� ＰＳ／２設備和ＰＣ機的通訊
�。校樱苍O備的Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）和Ｄａｔａ?數據腳?都是集電極開路的，平時都是高電平。當ＰＳ／２設備等待發送數據時，它首先檢查Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）以確認其是否為高電平。如果是低電平，則認為是ＰＣ機抑制了通訊，此時它必須緩沖需要發送的數據直到重新獲得總線的控制權（一般ＰＳ／２鍵盤有１６個字節的緩沖區，而ＰＳ／２鼠標只有一個緩沖區僅存儲最后一個要發送的數據）。如果Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）為高電平，ＰＳ／２設備便開始將數據發送到ＰＣ機。一般都是由ＰＳ／２設備產生時鐘信號。發送時一般都是按照數據幀格式順序發送。其中數據位在Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）為高電平時準備好，在Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）的下降沿被ＰＣ機讀入。ＰＳ／２設備到ＰＣ機的通訊時序如圖２所示。
當時鐘頻率為１５ｋＨｚ時，從Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）的上升沿到數據位轉變時間至少要５μｓ。數據變化到Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）下降沿的時間至少也有５ μｓ，但不能大于２５ μｓ，這是由ＰＳ／２通訊協議的時序規定的。如果時鐘頻率是其它值，參數的內容應稍作調整。
上述討論中傳輸的數據是指對特定鍵盤的編碼或者對特定命令的編碼。一般采用第二套掃描碼集所規定的碼值來編碼。其中鍵盤碼分為通碼（Ｍａｋｅ）和斷碼（Ｂｒｅａｋ）。通碼是按鍵接通時所發送的編碼，用兩位十六進制數來表示，斷碼通常是按鍵斷開時所發送的編碼，用四位十六進制數來表示。
�。� ＰＳ／２接口的嵌入式軟件編程方法
�。校樱苍O備主要用于產生同步時鐘信號和讀寫數據。
�。常� ＰＳ／２向ＰＣ機發送一個字節
從ＰＳ／２向ＰＣ機發送一個字節可按照下面的步驟進行：
(１)檢測時鐘線電平，如果時鐘線為低，則延時５０μｓ；
(２)檢測判斷時鐘信號是否為高，為高，則向下執行，為低，則轉到(１)；
(３)檢測數據線是否為高，如果為高則繼續執行，如果為低，則放棄發送（此時ＰＣ機在向ＰＳ／２設備發送數據，所以ＰＳ／２設備要轉移到接收程序處接收數據）；
(４)延時２０μｓ（如果此時正在發送起始位，則應延時４０μｓ）；
�。ǎ担┹敵銎鹗嘉唬ǎ埃┑綌祿�上。這里要注意的是：在送出每一位后都要檢測時鐘線，以確保ＰＣ機沒有抑制ＰＳ／２設備，如果有則中止發送；
�。ǎ叮┹敵觯競�數據位到數據線上；
�。ǎ罚┹敵鲂ｒ炍�；
（８）輸出停止位（１）；
（９）延時３０μｓ（如果在發送停止位時釋放時鐘信號則應延時５０μｓ）；
通過以下步驟可發送單個位：
（１）準備數據位（將需要發送的數據位放到數據線上）；
（２）延時２０μｓ；
�。ǎ常┌褧r鐘線拉低；
�。ǎ矗┭訒r４０μｓ；
�。ǎ担┽尫艜r鐘線；
�。ǎ叮┭訒r２０μｓ。
�。常� ＰＳ／２設備從ＰＣ機接收一個字節
由于ＰＳ／２設備能提供串行同步時鐘，因此，如果ＰＣ機發送數據，則ＰＣ機要先把時鐘線和數據線置為請求發送的狀態。ＰＣ機通過下拉時鐘線大于１００μｓ來抑制通訊，并且通過下拉數據線發出請求發送數據的信號，然后釋放時鐘。當ＰＳ／２設備檢測到需要接收的數據時，它會產生時鐘信號并記錄下面８個數據位和一個停止位。主機此時在時鐘線變為低時準備數據到數據線，并在時鐘上升沿鎖存數據。而ＰＳ／２設備則要配合ＰＣ機才能讀到準確的數據。具體連接步驟如下：
�。ǎ保┑却龝r鐘線為高電平。
�。ǎ玻┡袛鄶祿�是否為低，為高則錯誤退出，否則繼續執行。
�。ǎ常┳x地址線上的數據內容，共８個ｂｉｔ，每讀完一個位，都應檢測時鐘線是否被ＰＣ機拉低，如果被拉低則要中止接收。
�。ǎ矗┳x地址線上的校驗位內容，１個ｂｉｔ。
�。ǎ担┳x停止位。
�。ǎ叮┤绻麛祿�上為０（即還是低電平），ＰＳ／２設備繼續產生時鐘，直到接收到１且產生出錯信號為止（因為停止位是１，如果ＰＳ／２設備沒有讀到停止位，則表明此次傳輸出錯）。
�。ǎ� 輸出應答位。
�。ǎ福� 檢測奇偶校驗位，如果校驗失敗，則產生錯誤信號以表明此次傳輸出現錯誤。
�。ǎ梗┭訒r４５ μｓ，以便ＰＣ機進行下一次傳輸。
讀數據線的步驟如下：
�。ǎ保┭訒r２０μｓ；
�。ǎ玻┌褧r鐘線拉低?
�。ǎ常┭訒r４０μｓ?
（４）釋放時鐘線?
�。ǎ担┭訒r２０μｓ?
�。ǎ叮┳x數據線。
下面的步驟可用于發出應答位；
�。ǎ保┭訒r１５μｓ；
（２）把數據線拉低；
（３）延時５μｓ；
�。ǎ矗┌褧r鐘線拉低；
（５）延時４０μｓ；
�。ǎ叮┽尫艜r鐘線；
�。ǎ罚┭訒r５μｓ；
�。ǎ福┽尫艛祿�。
４ 用于工控機的雙鍵盤設計
工控機通常要接標準鍵盤，但是為了方便操作，常常需要外接一個專用鍵盤。此實例介紹了在工控ＰＣ機到ＰＳ／２總線上再接入一個自制專用鍵盤的應用方法。
該設計應能保證兩個鍵盤單獨工作，而且相互不能影響。因此，不能直接把專用鍵盤和標準鍵盤一起接到工控ＰＣ的ＰＳ／２口。鑒于這種情況，本設計使用模擬開關ＣＤ４０５２并通過時分復用工控ＰＣ的ＰＳ／２口，來使在同一個時刻只有一個鍵盤有效，從而解決上述問題。其硬件原理圖如圖３所示。其中Ｐ２口和Ｐ１口用于鍵盤掃描電路（圖中未畫出），Ｐ０．０為數據端，Ｐ０．１為時鐘端，Ｐ０．２為模擬開關選通端。由于專用鍵盤不需要接收工控ＰＣ機的命令，所以軟件中并不需要寫這部分相應的代碼。
通過軟件可在專用鍵盤復位后把Ｐ０．２清０，以使模擬開關ＣＤ４０５２打開相應的通道。這時工控ＰＣ的標準鍵盤將開始工作。標準鍵盤可以完成工控ＰＣ剛啟動時對外設檢測的應答。復位后的專用鍵盤不停地掃描有沒有按鍵，如果有鍵按下則識別按鍵，并且按照預先的設計進行編碼，同時調用發送程序并通過ＰＳ／２口發送到工控ＰＣ。此時模擬開關關閉相應通道（將Ｐ０．２置１），專用鍵盤接入工控ＰＣＰＳ／２口的時鐘線和數據線而工作，但標準鍵盤被模擬開關從ＰＳ／２的時鐘線和數據線中斷而不工作，這樣，雙鍵盤便可時分復用同一個工控ＰＣ機的ＰＳ／２口。相應的發送子程序如下：
�。＃洌澹妫椋睿� ＤＡＴＡＰ００ 用Ｐ０．０做數據線
＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＬＫＰ０１ 用Ｐ０．１做時鐘線
�。＃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
�。＃洌澹妫椋睿� ＰＯＲＴＷＰ２ 用Ｐ２口做寫出口 可以實現６４個自定義鍵
�。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論
�。校樱步涌趨f議是現在大多數鍵盤、鼠標與ＰＣ機通訊的標準協議。其中鼠標對ＰＣ機的通訊更為簡單，只是傳輸數據的內容不一樣而已。充分理解ＰＳ／２接口協議，可以幫助設計者自主開發一些工控機上的專用鍵盤等外設，并能夠按照用戶的要求開發出專用的多功能鍵盤。該工控機的雙鍵盤設計目前已被某工控公司所采納，并已作為組件加入到產品當中
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