PS/2接口協(xié)議解析及應(yīng)用

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。
　　關(guān)鍵詞：PS/2接口；串行通訊；單片機(jī)；鍵盤；CD4052
　　
　�。保校樱�２接口標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程
　　
　　隨著計算機(jī)工業(yè)的發(fā)展，作為計算機(jī)最常用輸入設(shè)備的鍵盤也日新月異。１９８１年ＩＢＭ推出了ＩＢＭＰＣ／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連接器和簡單的串行協(xié)議。實際上，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個主機(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，同時支持１７個主機(jī)到鍵盤的命令�，F(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。
　　
　�。玻校樱�２接口硬件
　　
　�。玻�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(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，另外兩個腳Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）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�，F(xiàn)在比較常用的連接器如圖１所示。
　　
　�。玻�２電氣特性
　　
　�。校樱�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，只需要把Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）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（時鐘腳）高、低電平的持續(xù)時間都為４０μｓ。每一數(shù)據(jù)幀包含１１～１２個位，具體含義如表１所列。
　　
　　表1數(shù)據(jù)幀格式說明
　　
　　1個起始位總是邏輯08個數(shù)據(jù)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11個應(yīng)答位僅用在主機(jī)對設(shè)備的通訊中
　　表中，如果數(shù)據(jù)位中１的個數(shù)為偶數(shù)，校驗位就為１；如果數(shù)據(jù)位中１的個數(shù)為奇數(shù)，校驗位就為０；總之，數(shù)據(jù)位中１的個數(shù)加上校驗位中１的個數(shù)總為奇數(shù)，因此總進(jìn)行奇校驗。
　　
　�。玻�３ＰＳ／２設(shè)備和ＰＣ機(jī)的通訊
　　
　�。校樱�２設(shè)備的Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）和Ｄａｔａ?數(shù)據(jù)腳?都是集電極開路的，平時都是高電平。當(dāng)ＰＳ／２設(shè)備等待發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先檢查Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）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個字節(jié)的緩沖區(qū)，而ＰＳ／２鼠標(biāo)只有一個緩沖區(qū)僅存儲最后一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)）。如果Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）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)生時鐘信號。發(fā)送時一般都是按照數(shù)據(jù)幀格式順序發(fā)送。其中數(shù)據(jù)位在Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）為高電平時準(zhǔn)備好，在Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）的下降沿被ＰＣ機(jī)讀入。ＰＳ／２設(shè)備到ＰＣ機(jī)的通訊時序如圖２所示。
　　
　　當(dāng)時鐘頻率為１５ｋＨｚ時，從Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）的上升沿到數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)變時間至少要５μｓ。數(shù)據(jù)變化到Ｃｌｏｃｋ（時鐘腳）下降沿的時間至少也有５μｓ，但不能大于２５μｓ，這是由ＰＳ／２通訊協(xié)議的時序規(guī)定的。如果時鐘頻率是其它值，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(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所發(fā)送的編碼，用四位十六進(jìn)制數(shù)來表示。
　　
　�。常校樱�２接口的嵌入式軟件編程方法
　　
　　ＰＳ／２設(shè)備主要用于產(chǎn)生同步時鐘信號和讀寫數(shù)據(jù)。
　　
　　３．１ＰＳ／２向ＰＣ機(jī)發(fā)送一個字節(jié)
　　
　　從ＰＳ／２向ＰＣ機(jī)發(fā)送一個字節(jié)可按照下面的步驟進(jìn)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(zhí)行，為低，則轉(zhuǎn)到(１)；
　　
　　(３)檢測數(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２０μｓ（如果此時正在發(fā)送起始位，則應(yīng)延時４０μｓ）；
　　
　�。ǎ担┹敵銎鹗嘉唬ǎ埃┑綌�(shù)據(jù)線上。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(jī)沒有抑制ＰＳ／２設(shè)備，如果有則中止發(fā)送；
　　
　�。ǎ叮┹敵觯競�數(shù)據(jù)位到數(shù)據(jù)線上；
　　
　�。ǎ罚┹敵鲂ｒ炍�；
　　
　�。ǎ福┹敵鐾Ｖ刮唬ǎ保�；
　　
　�。ǎ梗┭訒r３０μｓ（如果在發(fā)送停止位時釋放時鐘信號則應(yīng)延時５０μｓ）；
　　
　　通過以下步驟可發(fā)送單個位：
　　
　�。ǎ保�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�２ＰＳ／２設(shè)備從ＰＣ機(jī)接收一個字節(jié)
　　
　　由于ＰＳ／２設(shè)備能提供串行同步時鐘，因此，如果ＰＣ機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，則ＰＣ機(jī)要先把時鐘線和數(shù)據(jù)線置為請求發(fā)送的狀態(tài)。ＰＣ機(jī)通過下拉時鐘線大于１００μｓ來抑制通訊，并且通過下拉數(shù)據(jù)線發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據(jù)的信號，然后釋放時鐘。當(dāng)ＰＳ／２設(shè)備檢測到需要接收的數(shù)據(jù)時，它會產(chǎn)生時鐘信號并記錄下面８個數(shù)據(jù)位和一個停止位。主機(jī)此時在時鐘線變?yōu)榈蜁r準(zhǔn)備數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)線，并在時鐘上升沿鎖存數(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）等待時鐘線為高電平。
　　
　　（２）判斷數(shù)據(jù)線是否為低，為高則錯誤退出，否則繼續(xù)執(zhí)行。
　　
　�。ǎ常┳x地址線上的數(shù)據(jù)內(nèi)容，共８個ｂｉｔ，每讀完一個位，都應(yīng)檢測時鐘線是否被ＰＣ機(jī)拉低，如果被拉低則要中止接收。
　　
　　（４）讀地址線上的校驗位內(nèi)容，１個ｂｉｔ。
　　
　�。ǎ担┳x停止位。
　　
　�。ǎ叮┤绻麛�(shù)據(jù)線上為０（即還是低電平），ＰＳ／２設(shè)備繼續(xù)產(chǎn)生時鐘，直到接收到１且產(chǎn)生出錯信號為止（因為停止位是１，如果ＰＳ／２設(shè)備沒有讀到停止位，則表明此次傳輸出錯）。
　　
　�。ǎ份敵鰬�(yīng)答位。
　　
　�。ǎ福�檢測奇偶校驗位，如果校驗失敗，則產(chǎn)生錯誤信號以表明此次傳輸出現(xiàn)錯誤。
　　
　�。ǎ梗┭訒r４５μｓ，以便ＰＣ機(jī)進(jìn)行下一次傳輸。
　　
　　讀數(shù)據(jù)線的步驟如下：
　　
　�。ǎ保┭訒r２０μｓ；
　　
　　（２）把時鐘線拉低?
　　
　�。ǎ常┭訒r４０μｓ?
　　
　　（４）釋放時鐘線?
　　
　�。ǎ担┭訒r２０μｓ?
　　
　�。ǎ叮┳x數(shù)據(jù)線。
　　
　　下面的步驟可用于發(fā)出應(yīng)答位；
　　
　�。ǎ保┭訒r１５μｓ；
　　
　�。ǎ玻┌褦�(shù)據(jù)線拉低；
　　
　　（３）延時５μｓ；
　　
　�。ǎ矗┌褧r鐘線拉低；
　　
　�。ǎ担┭訒r４０μｓ；
　　
　�。ǎ叮┽尫艜r鐘線；
　　
　�。ǎ罚┭訒r５μｓ；
　　
　�。ǎ福┽尫艛�(shù)據(jù)線。
　　
　�。从糜诠た貦C(jī)的雙鍵盤設(shè)計
　　
　　工控機(jī)通常要接標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，但是為了方便操作，常常需要外接一個專用鍵盤。此實例介紹了在工控ＰＣ機(jī)到ＰＳ／２總線上再接入一個自制專用鍵盤的應(yīng)用方法。
　　
　　該設(shè)計應(yīng)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(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)計使用模擬開關(guān)ＣＤ４０５２并通過時分復(fù)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(shù)據(jù)端，Ｐ０．１為時鐘端，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剛啟動時對外設(shè)檢測的應(yīng)答。復(fù)位后的專用鍵盤不停地掃描有沒有按鍵，如果有鍵按下則識別按鍵，并且按照預(yù)先的設(shè)計進(jìn)行編碼，同時調(diào)用發(fā)送程序并通過ＰＳ／２口發(fā)送到工控ＰＣ。此時模擬開關(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的時鐘線和數(shù)據(jù)線中斷而不工作，這樣，雙鍵盤便可時分復(fù)用同一個工控ＰＣ機(jī)的ＰＳ／２口。相應(yīng)的發(fā)送子程序如下：
　　
　　＃ｄｅｆｉｎｅＤＡＴＡＰ００用Ｐ０．０做數(shù)據(jù)線
　　
　�。＃洌澹妫椋睿澹茫蹋耍校埃庇茫校埃�１做時鐘線
　　
　�。＃洌澹妫椋睿澹桑危龋桑拢桑裕校埃灿茫校埃�２做ＣＤ４０５２的ＩＮＨ端
　　
　�。＃洌澹妫椋睿澹校希遥裕遥校庇茫校笨谧鲎x入口
　　
　�。＃洌澹妫椋睿澹校希遥裕祝校灿茫校部谧鰧懗隹诳梢詫崿F(xiàn)６４個自定義鍵
　　
　�。觯铮椋洌螅澹睿洌ǎ酰悖瑁幔颍�）／＊＊＊ｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｓｅｎｄａｃｈａｒｄａ-ｔａ＊＊＊／
　　
　　{
　　
　�。酰悖瑁幔颍�,ｔｅｍｐ,ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ;
　　
　�。猓椋簦妫欤幔鏮ｃｈｅｃｋ＝１;
　　
　�。桑危龋桑拢桑裕剑�;／／ｄｉｓａｂｌｅｓｔａｎｄａｒｄｋｅｙｂｏａｒｄ
　　
　�。洌澹欤幔鵢ｍｓ(３);
　　
　�。簦澹恚穑剑�;
　　
　�。妫铮�(ｉ＝０;ｉ＜８;ｉ＋＋)／／ｆｉｎｄｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆ１ｉｎｔｈｉｓｕｃｈａｒｘｉｓｏｄｄｏｒｎｏｔ
　　
　　{
　　
　�。悖瑁幔騙ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ０１;
　　
　　ｉｆ(ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝＝０ｘ０１)
　　
　　{
　　
　�。妫欤幔鏮ｃｈｅｃｋ＝!ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ;
　　
　　}
　　
　�。簦澹恚穑剑簦澹恚穑荆荆�;
　　
　　}
　　
　�。茫蹋耍剑�;／／ｓｅｎｄ１ｔｏＰ１ｔｈｅｎｒｅａｄＰ１
　　
　�。鳎瑁椋欤�(!ＣＬＫ)／／ｉｆＣＬＫｉｓｌｏｗｗａｉｔ
　　
　　{
　　
　　;
　　
　　}
　　
　�。茫蹋耍剑�;ＤＡＴＡ＝１;／／ｓｅｎｄ１ｔｏＰ１ｔｈｅｎｒｅａｄＰ１
　　
　�。椋�(ＣＬＫ＝＝１)
　　
　　{
　　
　　ｄｅｌａｙ_ｕｓ(３０);／／
　　
　　}
　　
　�。椋�(ＣＬＫ＝＝１＆＆ＤＡＴＡ＝＝１)／／ｓｅｎｄｄａｔａ
　　
　　{
　　
　　ＤＡＴＡ＝０;／／ｓｔａｒｔｂｉｔ０
　　
　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(１０);
　　
　�。茫蹋耍剑�;
　　
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　�。簦澹恚穑剑�;
　　
　�。妫铮�(ｉ＝０;ｉ＜８;ｉ＋＋)／／ｓｅｎｄ８ｂｉｔｓＬＳＢｆｉｒｓｔ
　　
　　{
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(５);
　　
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　　ｉｆ(ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝＝０ｘ０１)
　　
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　　／／ＤＡＴＡ＝(ｂｉｔ)(ｔｅｍｐ＆０ｘ０１);
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(５);?
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(１０);?
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(５)
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(５);?
　　
　　ＤＡＴＡ＝１;
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(５);?
　　
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　�。洌澹欤幔鵢ｕｓ(３０);??
　　
　�。茫蹋耍剑�;ＤＡＴＡ＝１;／／ｓｅｎｄ１ｔｏＰ１ｔｈｅｎｒｅａｄＰ１
　　
　�。椋�(ＣＬＫ＝＝１＆＆ＤＡＴＡ＝＝０)
　　
　　{
　　
　�。颍澹簦酰颍�;／／ｐｃｉｓｓｅｎｄｉｎｇｄａｔａｔｏｍｃｕ,ｇｏｔｏ
　　
　　ｒｅｃｅｉｖｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ
　　
　　}
　　
　�。桑危龋桑拢桑裕剑�;／／ｅｎａｂｌｅｓｔａｎｄａｒｄｋｅｙｂｏａｒｄ
　　
　　}
　　
　　５結(jié)論
　　
　�。校樱�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ＰＣ機(jī)的通訊更為簡單，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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