PS/2接口協(xié)議解析和應(yīng)用

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IBM AT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個(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。

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

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個(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個(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個(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?，如果PS/2設(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 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口做寫出口 可以實(shí)現(xiàn)６４個(gè)自定義鍵

void send(uCHAR x) /* functiON for send a CHAR data*/
{

uCHAR i,TEMP,CHAR_TEMP;
bit flag_check =1;
INHIBIT =1; //disable STANDARD KEYBOARD
delay_ms(3);
TEMP = x;
for( i=0; i8; 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;i8;i++) //send 8 bits LSB first
{
CLK =1;
delay_us(5);
CHAR_TEMP = TEMP 0x01;
if ( CHAR_TEMP == 0x01)
{
DATA =1;
}
ELSE
{
DATA =0;
}
//DATA=(bit)(TEMP0x01);
//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;
dalay_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,goto
//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。