PS/2接口協(xié)議解析和應用

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。

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(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 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。