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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)鍵盤的第二套鍵盤掃描碼集。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外接雙鍵盤的解決方案。通過使用模擬開關(guān)CD4052巧妙地解決了工控PC外接雙鍵盤的沖突問題。１ ＰＳ／２接口標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程
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)備的鍵盤也日新月異。１９８１年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＰＣ／ＸＴ鍵盤及其接口標(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，第一套鍵盤掃描碼集并沒有主機(jī)到鍵盤的命令。為此，１９８４年ＩＢＭ推出了ＩＢＭＡＴ鍵盤接口標(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)議依照第二套鍵盤掃描碼集設(shè)有８?jìng)�(gè)主機(jī)到鍵盤的命令。到了１９８７年，ＩＢＭ又推出了ＰＳ／２鍵盤接口標(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掃描碼集，同時(shí)支持１７個(gè)主機(jī)到鍵盤的命令。現(xiàn)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。
２ ＰＳ／２接口硬件
２．１ 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(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。現(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Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）同步，并通過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鍵盤間的通訊，則ＰＣ機(jī)必須做主機(jī)，也就是說，ＰＣ機(jī)可以抑制ＰＳ／２鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，而ＰＳ／２鍵盤則不會(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，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
ＰＳ／２設(shè)備的Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）和Ｄａｔａ?數(shù)據(jù)腳?都是集電極開路的，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)定的碼值來編碼。其中鍵盤碼分為通碼（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)來表示，斷碼通常是按鍵斷開時(shí)所發(fā)送的編碼，用四位十六進(jìn)制數(shù)來表示。
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)通過下拉時(shí)鐘線大于１００μｓ來抑制通訊，并且通過下拉數(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)的雙鍵盤設(shè)計(jì)
工控機(jī)通常要接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，但是為了方便操作，常常需要外接一個(gè)專用鍵盤。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)自制專用鍵盤的應(yīng)用方法。
該設(shè)計(jì)應(yīng)能保證兩個(gè)鍵盤單獨(dú)工作，而且相互不能影響。因此，不能直接把專用鍵盤和標(biāo)準(zhǔn)鍵盤一起接到工控ＰＣ的ＰＳ／２口。鑒于這種情況，本設(shè)計(jì)使用模擬開關(guān)ＣＤ４０５２并通過時(shí)分復(fù)用工控ＰＣ的ＰＳ／２口，來使在同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)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(shù)據(jù)端，Ｐ０．１為時(shí)鐘端，Ｐ０．２為模擬開關(guān)選通端。由于專用鍵盤不需要接收工控ＰＣ機(jī)的命令，所以軟件中并不需要寫這部分相應(yīng)的代碼。
通過軟件可在專用鍵盤復(fù)位后把Ｐ０．２清０，以使模擬開關(guān)ＣＤ４０５２打開相應(yīng)的通道。這時(shí)工控ＰＣ的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤將開始工作。標(biāo)準(zhǔn)鍵盤可以完成工控ＰＣ剛啟動(dòng)時(shí)對(duì)外設(shè)檢測(cè)的應(yīng)答。復(fù)位后的專用鍵盤不停地掃描有沒有按鍵，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ＰＳ／２口發(fā)送到工控ＰＣ。此時(shí)模擬開關(guān)關(guān)閉相應(yīng)通道（將Ｐ０．２置１），專用鍵盤接入工控ＰＣＰＳ／２口的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線而工作，但標(biāo)準(zhǔn)鍵盤被模擬開關(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 ＤＡＴＡＰ００ 用Ｐ０．０做數(shù)據(jù)線
＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＬＫＰ０１ 用Ｐ０．１做時(shí)鐘線
＃ｄｅｆｉｎｅ ＩＮＨＩＢＩＴＰ０２ 用Ｐ０．２做ＣＤ４０５２的ＩＮＨ端
＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＲＰ１ 用Ｐ１口做讀入口
＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＷＰ２ 用Ｐ２口做寫出口 可以實(shí)現(xiàn)６４個(gè)自定義鍵
ｖｏｉｄ 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
}
５ 結(jié)論
ＰＳ／２接口協(xié)議是現(xiàn)在大多數(shù)鍵盤、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)者自主開發(fā)一些工控機(jī)上的專用鍵盤等外設(shè)，并能夠按照用戶的要求開發(fā)出專用的多功能鍵盤。該工控機(jī)的雙鍵盤設(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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