PS/2接口協(xié)議解析及應用

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

１ ＰＳ／２接口標準的發(fā)展過(guò)程

隨著(zhù)計算機工業(yè)的發(fā)展，作為計算機最常用輸入設備的鍵盤(pán)也日新月異。１９８１年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＰＣ／ＸＴ鍵盤(pán)及其接口標準。該標準定義了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)有主機到鍵盤(pán)的命令。為此，１９８４年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＡＴ鍵盤(pán)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(xié)議，此協(xié)議依照第二套鍵盤(pán)掃描碼集設有８個(gè)主機到鍵盤(pán)的命令。到了１９８７年，ＩＢＭ又推出了ＰＳ／２鍵盤(pán)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(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)主機到鍵盤(pán)的命令?，F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。

２?。校樱步涌谟布?/B>

２．１ 物理連接器

一般，具有五腳連接器的鍵盤(pán)稱(chēng)之為ＡＴ鍵盤(pán)，而具有六腳ｍｉｎｉ－ＤＩＮ連接器的鍵盤(pán)則稱(chēng)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?數據腳?、＋５Ｖ（電源腳）和Ｇｒｏｕｎｄ（電源地）。在ＰＳ／２鍵盤(pán)與ＰＣ機的物理連接上只要保證這四根線(xiàn)一一對應就可以了。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?數據腳?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（數據腳）交換數據。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機和ＰＳ／２鍵盤(pán)間的通訊，則ＰＣ機必須做主機，也就是說(shuō)，ＰＣ機可以抑制ＰＳ／２鍵盤(pán)發(fā)送數據，而ＰＳ／２鍵盤(pán)則不會(huì )抑制ＰＣ機發(fā)送數據。一般兩設備間傳輸數據的最大時(shí)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(shuō)，Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）高、低電平的持續時(shí)間都為４０μｓ。每一數據幀包含１１～１２個(gè)位，具體含義如表１所列。

表1 數據幀格式說(shuō)明

表中，如果數據位中１的個(gè)數為偶數，校驗位就為１；如果數據位中１的個(gè)數為奇數，校驗位就為０；總之，數據位中１的個(gè)數加上校驗位中１的個(gè)數總為奇數，因此總進(jìn)行奇校驗。

２．３ ＰＳ／２設備和ＰＣ機的通訊

ＰＳ／２設備的Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）和Ｄａｔａ?數據腳?都是集電極開(kāi)路的，平時(shí)都是高電平。當ＰＳ／２設備等待發(fā)送數據時(shí)，它首先檢查Ｃｌｏｃｋ（時(shí)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(shí)它必須緩沖需要發(fā)送的數據直到重新獲得總線(xiàn)的控制權（一般ＰＳ／２鍵盤(pán)有１６個(gè)字節的緩沖區，而ＰＳ／２鼠標只有一個(gè)緩沖區僅存儲最后一個(gè)要發(fā)送的數據）。如果Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）為高電平，ＰＳ／２設備便開(kāi)始將數據發(fā)送到ＰＣ機。一般都是由ＰＳ／２設備產(chǎn)生時(shí)鐘信號。發(fā)送時(shí)一般都是按照數據幀格式順序發(fā)送。其中數據位在Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）為高電平時(shí)準備好，在Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）的下降沿被ＰＣ機讀入。ＰＳ／２設備到ＰＣ機的通訊時(shí)序如圖２所示。

當時(shí)鐘頻率為１５ｋＨｚ時(shí)，從Ｃｌｏｃｋ（時(shí)鐘腳）的上升沿到數據位轉變時(shí)間至少要５μｓ。數據變化到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)序規定的。如果時(shí)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(pán)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(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)制數來(lái)表示。

３ ＰＳ／２接口的嵌入式軟件編程方法

ＰＳ／２設備主要用于產(chǎn)生同步時(shí)鐘信號和讀寫(xiě)數據。

３．１ ＰＳ／２向ＰＣ機發(fā)送一個(gè)字節

從ＰＳ／２向ＰＣ機發(fā)送一個(gè)字節可按照下面的步驟進(jìn)行：

(１)檢測時(shí)鐘線(xiàn)電平，如果時(shí)鐘線(xiàn)為低，則延時(shí)５０μｓ；

(２)檢測判斷時(shí)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(xiàn)是否為高，如果為高則繼續執行，如果為低，則放棄發(fā)送（此時(shí)ＰＣ機在向ＰＳ／２設備發(fā)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(shí)２０μｓ（如果此時(shí)正在發(fā)送起始位，則應延時(shí)４０μｓ）；

（５）輸出起始位（０）到數據線(xiàn)上。這里要注意的是：在送出每一位后都要檢測時(shí)鐘線(xiàn)，以確保ＰＣ機沒(méi)有抑制ＰＳ／２設備，如果有則中止發(fā)送；

（６）輸出８個(gè)數據位到數據線(xiàn)上；

（７）輸出校驗位；

（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)鐘信號則應延時(shí)５０μｓ）；

通過(guò)以下步驟可發(fā)送單個(gè)位：

（１）準備數據位（將需要發(fā)送的數據位放到數據線(xiàn)上）；

（２）延時(shí)２０μｓ；

（３）把時(shí)鐘線(xiàn)拉低；

（４）延時(shí)４０μｓ；

（５）釋放時(shí)鐘線(xiàn)；

（６）延時(shí)２０μｓ。

３．２ ＰＳ／２設備從ＰＣ機接收一個(gè)字節

由于ＰＳ／２設備能提供串行同步時(shí)鐘，因此，如果ＰＣ機發(fā)送數據，則ＰＣ機要先把時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)置為請求發(fā)送的狀態(tài)。ＰＣ機通過(guò)下拉時(shí)鐘線(xiàn)大于１００μｓ來(lái)抑制通訊，并且通過(guò)下拉數據線(xiàn)發(fā)出請求發(fā)送數據的信號，然后釋放時(shí)鐘。當ＰＳ／２設備檢測到需要接收的數據時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生時(shí)鐘信號并記錄下面８個(gè)數據位和一個(gè)停止位。主機此時(shí)在時(shí)鐘線(xiàn)變?yōu)榈蜁r(shí)準備數據到數據線(xiàn)，并在時(shí)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：

（１）等待時(shí)鐘線(xiàn)為高電平。

（２）判斷數據線(xiàn)是否為低，為高則錯誤退出，否則繼續執行。

（３）讀地址線(xiàn)上的數據內容，共８個(gè)ｂｉｔ，每讀完一個(gè)位，都應檢測時(shí)鐘線(xiàn)是否被ＰＣ機拉低，如果被拉低則要中止接收。

（４）讀地址線(xiàn)上的校驗位內容，１個(gè)ｂｉｔ。

（５）讀停止位。

（６）如果數據線(xiàn)上為０（即還是低電平），ＰＳ／２設備繼續產(chǎn)生時(shí)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設備沒(méi)有讀到停止位，則表明此次傳輸出錯）。

（７ 輸出應答位。

（８） 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錯誤。

（９）延時(shí)４５ μｓ，以便ＰＣ機進(jìn)行下一次傳輸。

讀數據線(xiàn)的步驟如下：

（１）延時(shí)２０μｓ；

（２）把時(shí)鐘線(xiàn)拉低?

（３）延時(shí)４０μｓ?

（４）釋放時(shí)鐘線(xiàn)?

（５）延時(shí)２０μｓ?

（６）讀數據線(xiàn)。

下面的步驟可用于發(fā)出應答位；

（１）延時(shí)１５μｓ；

（２）把數據線(xiàn)拉低；

（３）延時(shí)５μｓ；

（４）把時(shí)鐘線(xiàn)拉低；

（５）延時(shí)４０μｓ；

（６）釋放時(shí)鐘線(xiàn)；

（７）延時(shí)５μｓ；

（８）釋放數據線(xiàn)。

４　用于工控機的雙鍵盤(pán)設計

工控機通常要接標準鍵盤(pán)，但是為了方便操作，常常需要外接一個(gè)專(zhuān)用鍵盤(pán)。此實(shí)例介紹了在工控ＰＣ機到ＰＳ／２總線(xiàn)上再接入一個(gè)自制專(zhuān)用鍵盤(pán)的應用方法。

該設計應能保證兩個(gè)鍵盤(pán)單獨工作，而且相互不能影響。因此，不能直接把專(zhuān)用鍵盤(pán)和標準鍵盤(pán)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(kāi)關(guān)ＣＤ４０５２并通過(guò)時(shí)分復用工控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為數據端，Ｐ０．１為時(shí)鐘端，Ｐ０．２為模擬開(kāi)關(guān)選通端。由于專(zhuān)用鍵盤(pán)不需要接收工控ＰＣ機的命令，所以軟件中并不需要寫(xiě)這部分相應的代碼。

通過(guò)軟件可在專(zhuān)用鍵盤(pán)復位后把Ｐ０．２清０，以使模擬開(kāi)關(guān)ＣＤ４０５２打開(kāi)相應的通道。這時(shí)工控ＰＣ的標準鍵盤(pán)將開(kāi)始工作。標準鍵盤(pán)可以完成工控ＰＣ剛啟動(dòng)時(shí)對外設檢測的應答。復位后的專(zhuān)用鍵盤(pán)不停地掃描有沒(méi)有按鍵，如果有鍵按下則識別按鍵，并且按照預先的設計進(jìn)行編碼，同時(shí)調用發(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)閉相應通道（將Ｐ０．２置１），專(zhuān)用鍵盤(pán)接入工控ＰＣ ＰＳ／２口的時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)而工作，但標準鍵盤(pán)被模擬開(kāi)關(guān)從ＰＳ／２的時(shí)鐘線(xiàn)和數據線(xiàn)中斷而不工作，這樣，雙鍵盤(pán)便可時(shí)分復用同一個(gè)工控ＰＣ機的ＰＳ／２口。相應的發(fā)送子程序如下：

＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡ Ｐ００ 用Ｐ０．０做數據線(xiàn)

＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＬＫ Ｐ０１ 用Ｐ０．１做時(shí)鐘線(xiàn)

＃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　結論

ＰＳ／２接口協(xié)議是現在大多數鍵盤(pán)、鼠標與ＰＣ機通訊的標準協(xié)議。其中鼠標對ＰＣ機的通訊更為簡(jiǎn)單，只是傳輸數據的內容不一樣而已。充分理解ＰＳ／２接口協(xié)議，可以幫助設計者自主開(kāi)發(fā)一些工控機上的專(zhuān)用鍵盤(pán)等外設，并能夠按照用戶(hù)的要求開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的多功能鍵盤(pán)。該工控機的雙鍵盤(pán)設計目前已被某工控公司所采納，并已作為組件加入到產(chǎn)品當中。