程式碼下載
PS/2 鍵盤介面邏輯：ps2_keyboard.vhd (5.1 KB)
解彈跳邏輯（必須包含在項目中）：debounce.vhd (2.4 KB)
特點
- PS/2 鍵盤介面的 VHDL 原始碼
- 輸出從鍵盤接收的 PS/2 通斷程式碼
- 當有新程式碼可用時設定標示輸出
- 驗證 PS/2 傳輸的同位、起始和停止位元
- 可設定的系統時脈頻率
- 在 PS/2 和系統時脈域之間同步
- 對傳入的 PS/2 訊號進行解彈跳
介紹
本文詳細介紹了一個用於 CPLD 和 FPGA 的 PS/2 鍵盤介面組件，該組件以 VHDL 編寫。此元件接收來自 PS/2 鍵盤的資料傳輸，並透過平行介面向使用者邏輯提供鍵盤的通斷程式碼。此組件使用 Quartus II 12.1 版設計。圖 1 展示了一個整合到系統中的 PS/2 鍵盤介面的典型範例。這裡提供了一個範例設計，該範例設計實現了該 PS/2 鍵盤介面組件，用於實現 PS/2 鍵盤到 ASCII 的轉換器。 PS/2 鍵盤介面本身是此處提供的 PS/2 主機收發器的簡化版本。
圖 1. 範例實現
背景
PS/2（IBM 個人系統/2）是一種透過 6 針 Mini-DIN 連接器將鍵盤和滑鼠連接到 PC 相容電腦系統的介面。計算系統必須為鍵盤或滑鼠提供 5V 電源和接地連接。通訊透過兩線串列介面進行，該介面由一條時脈線和一條數據線組成。兩條線都需要上拉電阻（圖 1 所示的電阻為 2kohm）。圖 1 中的 120ohm 串聯電阻用於將 3.3V FPGA I/O 連接到 5V 訊號。
通電後，鍵盤會進行自初始化序列。初始化完成後，鍵盤即可透過 PS/2 介面傳輸鍵盤事件。
圖 2 展示了傳輸格式。非活動狀態時，時脈和資料訊號均為邏輯高電位。鍵盤同時提供時脈和數據。時脈頻率在 10kHz 至 16.7kHz 之間（即週期為 60-100us）。資料以起始位元（邏輯低電位）開始，接著是一個資料位元組、一個同位位元，最後是一個停止位元（邏輯高電位）。資料以 LSB 優先發送。每個位元應在時脈訊號的下降緣讀取。完成後，時脈和資料訊號均恢復至邏輯高電位。
圖 2. PS/2 鍵盤傳輸時序圖
資料位元組代表鍵盤掃描碼的一部分：通碼（按下按鍵）或斷碼（釋放按鍵）其中一個。掃描碼有三種不同的設置，但絕大多數鍵盤使用附錄中提供的掃描碼集2。通碼通常由一個或兩個位元組組成。如果通碼使用兩個字節，則第一個位元組為 x“E0”。給定按鍵的斷碼通常與其通碼相同，但斷碼會包含一個額外的 x“F0”位元組作為倒數第二個位元組（PAUSE 和 PRNT SCRN 鍵除外）。
雖然可以向鍵盤發送資料（例如更改其設定等），但這通常是不必要的，並且不包含在此 VHDL 元件中。但是，可以使用此處提供的 PS/2 主機收發器元件來執行此操作。
工作原理
圖 3 概念性地展示了 PS/2 鍵盤介面組件的架構。首先對來自鍵盤的時脈和資料訊號進行同步和解彈跳處理（解彈跳組件的 VHDL 程式碼及相關文件可在此處取得）。隨後，產生的內部 PS/2 資料訊號在 PS/2 時脈的下降緣以串列方式載入到移位暫存器中。空閒計數器用於確定傳輸何時完成，完成時間定義為 PS/2 時脈保持高邏輯電平的時間超過 55us，即超過最壞情況下 PS/2 時脈週期的一半。組合誤差校驗邏輯用於驗證資料的起始位元、停止位元和同位位元。當 PS/2 連接埠空閒且資料有效時，該元件將輸出接收到的 PS/2 編碼，並將 ps2_code_new 訊號設為高電平，以指示 ps2_code 匯流排上有新的可用編碼。該程式碼將保留在匯流排上，直到接收到新的編代碼。 ps2_code_new 訊號保持高電平直到另一個 PS/2 傳輸開始（當低 PS/2 時脈訊號清除空閒計數器時）。
圖 3. PS/2 鍵盤介面邏輯架構
連接埠描述
表 1 描述了 PS/2 鍵盤介面的連接埠。
表 1. 連接埠描述
設定時序參數
系統時脈速度會影響解彈跳時間和空閒計數器的時序。為了確保元件正常運行，必須正確設定 ENTITY 中宣告的兩個 GENERIC 參數 clk_freq 和 debounce_counter_size。clk_freq 參數必須設定為系統時脈頻率（以 Hz 為單位）。所提供程式碼中的預設設定為 50MHz（元件模擬和測試的頻率）。debounce_counter_size 參數必須設定為 2^debounce_counter_size / clk_freq = 5us，具體設定請參閱此處的解彈跳元件文件。對於 50MHz 系統時脈，debounce_counter_size = 8。
範例傳輸
圖 4 顯示了範例傳輸的時序圖。PS/2 時脈訊號變成低電位後，ps2_code_new 標示解除宣告，表示新的 PS/2 鍵盤傳輸正在進行中。傳輸完成後，ps2_code_new 標示宣告，表示新的 PS/2 編碼已收到，並且可在 ps2_code 匯流排上使用。在本例中，收到的 PS/2 編碼為 x“1C”，即「A」鍵的產生編碼。
圖 4. PS/2 傳輸範例
總結
此 PS/2 鍵盤介面是一個可編程邏輯元件，用於接收來自 PS/2 鍵盤的傳輸。它同步時脈域、解消輸入訊號彈跳、執行錯誤檢查，並在其平行輸出匯流排上出現新的鍵盤程式碼時通知使用者邏輯。
附錄：掃描碼集 2
| Key | Make Code | Break Code |
|---|---|---|
| A | 1C | F0,1C |
| B | 32 | F0,32 |
| C | 21 | F0,21 |
| D | 23 | F0,23 |
| E | 24 | F0,24 |
| F | 2B | F0,2B |
| G | 34 | F0,34 |
| H | 33 | F0,33 |
| I | 43 | F0,43 |
| J | 3B | F0,3B |
| K | 42 | F0,42 |
| L | 4B | F0,4B |
| M | 3A | F0,3A |
| N | 31 | F0,31 |
| O | 44 | F0,44 |
| P | 4D | F0,4D |
| Q | 15 | F0,15 |
| R | 2D | F0,2D |
| S | 1B | F0,1B |
| T | 2C | F0,2C |
| U | 3C | F0,3C |
| V | 2A | F0,2A |
| W | 1D | F0,1D |
| X | 22 | F0,22 |
| Y | 35 | F0,35 |
| Z | 1A | F0,1A |
| 0 | 45 | F0,45 |
| 1 | 16 | F0,16 |
| 2 | 1E | F0,1E |
| 3 | 26 | F0,26 |
| 4 | 25 | F0,25 |
| 5 | 2E | F0,2E |
| 6 | 36 | F0,36 |
| 7 | 3D | F0,3D |
| 8 | 3E | F0,3E |
| 9 | 46 | F0,46 |
| ` | 0E | F0,0E |
| - | 4E | F0,4E |
| = | 55 | FO,55 |
| |5D | F0,5D | |
| BKSP | 66 | F0,66 |
| SPACE | 29 | F0,29 |
| TAB | 0D | F0,0D |
| CAPS | 58 | F0,58 |
| L SHFT | 12 | FO,12 |
| L CTRL | 14 | FO,14 |
| L GUI | E0,1F | E0,F0,1F |
| L ALT | 11 | F0,11 |
| R SHFT | 59 | F0,59 |
| R CTRL | E0,14 | E0,F0,14 |
| R GUI | E0,27 | E0,F0,27 |
| R ALT | E0,11 | E0,F0,11 |
| APPS | E0,2F | E0,F0,2F |
| ENTER | 5A | F0,5A |
| ESC | 76 | F0,76 |
| F1 | 5 | F0,05 |
| F2 | 6 | F0,06 |
| F3 | 4 | F0,04 |
| F4 | 0C | F0,0C |
| F5 | 3 | F0,03 |
| F6 | 0B | F0,0B |
| F7 | 83 | F0,83 |
| F8 | 0A | F0,0A |
| F9 | 1 | F0,01 |
| F10 | 9 | F0,09 |
| F11 | 78 | F0,78 |
| F12 | 7 | F0,07 |
| PRNT SCRN | E0,12,E0,7C | E0,F0,7C,E0,F0,12 |
| SCROLL | 7E | F0,7E |
| PAUSE | E1,14,77,E1,F0,14,F0,77 | -NONE- |
| [ | 54 | FO,54 |
| INSERT | E0,70 | E0,F0,70 |
| HOME | E0,6C | E0,F0,6C |
| PG UP | E0,7D | E0,F0,7D |
| DELETE | E0,71 | E0,F0,71 |
| END | E0,69 | E0,F0,69 |
| PG DN | E0,7A | E0,F0,7A |
| U ARROW | E0,75 | E0,F0,75 |
| L ARROW | E0,6B | E0,F0,6B |
| D ARROW | E0,72 | E0,F0,72 |
| R ARROW | E0,74 | E0,F0,74 |
| NUM | 77 | F0,77 |
| KP / | E0,4A | E0,F0,4A |
| KP * | 7C | F0,7C |
| KP - | 7B | F0,7B |
| KP + | 79 | F0,79 |
| KP EN | E0,5A | E0,F0,5A |
| KP . | 71 | F0,71 |
| KP 0 | 70 | F0,70 |
| KP 1 | 69 | F0,69 |
| KP 2 | 72 | F0,72 |
| KP 3 | 7A | F0,7A |
| KP 4 | 6B | F0,6B |
| KP 5 | 73 | F0,73 |
| KP 6 | 74 | F0,74 |
| KP 7 | 6C | F0,6C |
| KP 8 | 75 | F0,75 |
| KP 9 | 7D | F0,7D |
| ] | 5B | F0,5B |
| ; | 4C | F0,4C |
| ’ | 52 | F0,52 |
| , | 41 | F0,41 |
| . | 49 | F0,49 |
| / | 4A | F0,4A |
表 A1. 鍵盤掃描碼集 2