實驗七：PS/2模組① — 鍵盤

實驗七依然也是熟爛的PS/2鍵盤。相較《建模篇》的PS/2鍵盤實驗，實驗七實除了實現基本的驅動以外，我們還要深入解PS/2時序，還有PS/2鍵盤的行為。不過，為了節省珍貴的頁數，怒筆者不再重複有關PS/2的基礎內容，那些不曉得的讀者請複習《建模篇》或者自行谷歌一下。

市場上常見的鍵盤都是應用第二套掃描碼，各種掃描碼如圖7.2所示。《建模篇》之際，筆者也只是擦邊一下PS/2鍵盤，簡單讀取單位元組通碼與斷碼而已。所謂單位元組通碼，就是有效的按下內容，例如 <A> 鍵被按下的時候會輸出 1C。所謂單位元組斷碼，就是有效的釋放內容，例如 <A> 鍵被釋放的時候會輸出 F0 1C。

除了單位元組的通碼以外，PS/2鍵盤也有雙位元組通碼與斷碼。所謂雙位元組通碼，例如 <R CTRL>鍵被按下時候會輸出 E0 14；反之，所謂雙位元組斷碼，例如 <R CTRL> 鍵被釋放時候會輸出 E0 F0 14。不管是單位元組還是雙位元組，斷碼都包含F0。

除了上述的要求以外，筆者還要實現雙組合鍵，例如 <Ctrl> + <A>。不僅而已，筆者也要實現三組合鍵，例如 <Ctrl> + <Alt > + <A>。常識上，這些任性的要求都是軟體的工作，然而這種認識也僅侷限小氣的腦袋而已。換做筆者，筆者就算霸王硬上弓，筆者也要使用Verilog實現這些任性的要求。

未進入實驗之前，筆者需要強調一下！Verilog究竟如何驅動PS/2裝置，然後又如何實現軟體的工作，這一切Verilog自有方法。不管C語言還有微控制器這對活寶，驅動PS/2裝置再怎麼神，它們也沒有資格在旁指指點點。讀者千萬也別嘗試用借用它們的思路去思考Verilog，否則後果只有撞牆而已。

圖7.1 PS/2鍵盤傳送資料（主機視角）。

PS/2傳輸協議與一般的傳輸協議一樣，除了主從之分之餘，它也有“讀寫”兩個訪問的方向。除非有特殊的需要，不然從機（FPGA）是不會訪問PS/2鍵盤的內部。換之，從機只要不停從PS/2鍵盤哪裡讀取資料即可 ... 換句話說，驅動PS/2鍵盤僅有讀資料這一環而已，然而PS/2鍵盤是主機，FPGA是從機。（主機的定義是時鐘訊號的擁有者）

不管是何種傳輸協議，只要協議當中存有時鐘訊號，那麼“什麼時鐘沿，怎樣對待資料”這個鐵則是不會改變的。如圖7.1所示，那是PS/2鍵盤傳送資料的時序圖，亦即上升沿設定資料（輸出資料）。根據主機視角，除了開始位以外，PS/2鍵盤一共利用10個上升沿輸出10位資料。

圖7.2 第二套鍵盤的掃描碼。

圖7.3 PS/2鍵盤傳送資料，FPGA讀取資料（從機視角）。

PS/2傳輸資料一般都是一幀一幀互相往來，一幀有11位資料。Bit 0位為拉低的開始位，Bit 1~8 是由低自高的資料位，Bit 9為校驗位，Bit 10為拉高的結束位。根據從機視角，如圖7.3所示，PS/2鍵盤在傳送資料的時候，FPGA是下降沿鎖存資料（讀取資料）。PS2_CLK訊號一共產生了11個下降沿，FPGA也根據這11次下降沿鎖存11位資料。

圖7.4 檢測PS2_CLK的電平變化。

為了察覺下降沿，我們可以借用F2~F1的力量，對此Verilog可以這樣表示：

reg F2,F1;

always @ ( posedge CLOCK )

    { F2,F1 } <= { F1,KEY }; 

然後下降沿宣告為即時：

wire isH2L = ( F2 == 1 && F1 == 0 );

那麼，從機接收1幀11位資料的操作可以這樣描述，結果如程式碼7.1所示：

1.        case( i )

2.    

3.            0：

4.            if（isH2L） i <= i + 1’b1; 

5.            1，2，3，4，5，6，7，8：

6.            if（isH2L） D1[i-1] <= PS2_DAT; i <= i + 1’b1; end

7.            9：

8.            if（isH2L） i <= i + 1’b1; 

9.            10：

10.            if（isH2L） i <= 4‘d0；

11.    

12.        endcase

程式碼7.1

不過，為了方便控制程式碼7.1，筆者設法將程式碼7.1設定為偽函式，結果如程式碼7.2所示：

1.       parameter RDFUNC = 4’d4;

2.        ......

3.        case( i )

4.            ......

5.            /*********************/

6.            4：

7.            if（isH2L） i <= i + 1’b1; 

8.            5，6，7，8，9，10，11，12：

9.            if（isH2L） D1[i-5] <= PS2_DAT; i <= i + 1’b1; end

10.            13：

11.            if（isH2L） i <= i + 1’b1; 

12.            14：

13.            if（isH2L） i <= Go；

14.    

15.        endcase

程式碼7.2

理解這些以後，我們就要開始認識PS/2鍵盤的按鍵行為了。

圖7.5 PS/2鍵盤，按一下又釋放。

假設筆者輕按一下<A>然後又釋放，如圖7.5所示，PS/2鍵盤先會發送一幀8’h1C的通碼，然後又傳送兩幀8’hF0 8’h1C的斷碼，這是PS/2鍵盤最常見的按鍵行為。

圖7.6 PS/2鍵盤，長按又釋放。

如果筆者長按 <A> 鍵不放，如圖7.6所示，PS/2鍵盤會不停傳送通碼，直至釋放才傳送斷碼。至於長按期間，通碼的傳送間隔大約是100ms，亦即1秒內傳送10個通碼。

圖7.7 PS/2鍵盤，有效通碼。

一般而言，我們都會選擇通碼放棄斷碼，為了表示一次性，而且也是有效性的通碼。每當一幀通碼完成接收，isDone就會產生一個高脈衝，以示一次性而且有效的通碼已經接收完畢。

圖7.8 實驗七的建模圖。

如圖7.8所示，那是實驗七的建模圖，其中名為 ps2_demo的組合模組，內容包含實驗六的 smg_basemod 以外，該組合模組也包含 ps2_funcmod。PS/2功能模組接收來PS/2鍵盤傳送過來的資料，然後再經由oData驅動smg_basemod的iData，最後並將通碼顯示在數碼管上。

ps2_funcmod.v

圖7.9 PS/2功能模組。

圖7.9是PS/2功能模組的建模圖，左方是PS2_CLK與PS2_DAT頂層訊號的輸入，右方則是1位oTrig與8位oData。具體內容，讓我們來瞧瞧程式碼：

1.    module ps2_funcmod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input PS2_CLK, PS2_DAT,

5.         output oTrig,

6.         output [7:0]oData

7.    );

8.         parameter BREAK = 8'hF0;

9.         parameter FF_Read = 5'd4;

以上內容為相關的出入端宣告以及常量宣告。第8行是斷碼的常量宣告（第一幀），第9行則是偽函式的入口。

10.     

11.         /******************/ // sub

12.    

13.        reg F2,F1;

14.         

15.        always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

16.             if( !RESET )

17.                  { F2,F1 } <= 2'b11;

18.              else

19.                  { F2, F1 } <= { F1, PS2_CLK };

20.    

21.         /******************/ // core

22.         

23.         wire isH2L = ( F2 == 1'b1 && F1 == 1'b0 );

24.         reg [7:0]D1;

25.         reg [4:0]i,Go;

26.         reg isDone;

27.         

28.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

29.             if( !RESET )

30.                  begin

31.                         D1<= 8'd0;

32.                         i <= 5'd0;

33.                         Go <= 5'd0;

34.                         isDone <= 1'b0;

35.                    end

36.               else

以上內容是周邊操作以及相關暫存器宣告，還有它們的復位操作。周邊操作主要用來檢測PS2_CLK的電平變化。第23行是下降沿的即時宣告。第24~26行是相關的暫存器宣告，第30~34行則是這些暫存器的復位操作。

37.                    case( i )

38.                     

39.                          0:

40.                          begin i <= FF_Read; Go <= i + 1'b1; end

41.                      

42.                          1:

43.                          if( D1 == BREAK ) begin i <= FF_Read; Go <= 5'd0; end

44.                          else i <= i + 1'b1;

45.                          

46.                          2:

47.                          begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end

48.                          

49.                          3:

50.                          begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end

51.                          

52.                          /*************/ // PS2 read function

53.                          

54.                          4:  // Start bit

55.                          if( isH2L ) i <= i + 1'b1; 

56.                          

57.                          5,6,7,8,9,10,11,12:  // Data byte

58.                          if( isH2L ) begin D1[ i-5 ] <= PS2_DAT; i <= i + 1'b1; end

59.                          

60.                          13: // Parity bit

61.                          if( isH2L ) i <= i + 1'b1;

62.                          

63.                          14: // Stop bit

64.                          if( isH2L ) i <= Go;

65.    

66.                     endcase

以上內容為核心操作。其中步驟4~14（第54~64行）是讀取1幀資料的偽函式，入口地址是4。步驟0~3則是主要操作，過程如下：

步驟0，進入偽函式準備讀取第一幀資料。讀完第一幀資料以後便返回步驟1。

步驟1，判斷第一幀資料是否為斷碼？是，進入偽函式，完整第二幀資料的讀取，然後返回步驟指向為0。否，繼續步驟。

步驟2~3，產生完成的觸發訊號，然後返回步驟0。

67.                     

68.        /************************************/

69.         

70.         assign oTrig = isDone;

71.         assign oData = D1;

72.         

73.         /*************************************/

74.      

75.    endmodule

以上內容為輸出驅動的宣告。

ps2_demo.v

組合模組 ps2_demo的聯絡部署請複習圖7.8。

1.    module ps2_demo

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input PS2_CLK, PS2_DAT,

5.         output [7:0]DIG,

6.         output [5:0]SEL

7.    );

8.    

9.         wire [7:0]DataU1;

10.    

11.         ps2_funcmod U1

12.         (

13.             .CLOCK( CLOCK ),

14.              .RESET( RESET ),

15.              .PS2_CLK( PS2_CLK ), // < top

16.              .PS2_DAT( PS2_DAT ), // < top

17.              .oData( DataU1 ),  // > U2

18.              .oTrig()

19.         );

20.         

21.       smg_basemod U2

22.        (

23.            .CLOCK( CLOCK ),

24.            .RESET( RESET ),

25.            .DIG( DIG ),  // > top

26.            .SEL( SEL ),  // > top

27.            .iData( { 16'h0000, DataU1 } ) // < U1

28.        );

29.                 

30.    endmodule

上述程式碼沒有什麼特別，除了第18行，無視觸發訊號的輸出以外，還有第27行其 16’h0000 則表示數碼管的前四位皆為0，後兩位則是通碼。編譯完後便下載程式。

如果筆者按下 <A> 鍵，數碼管便會顯示1C；如果筆者釋放 <A> 鍵，數碼管也是顯示1C，期間也會發生一絲的閃耀。由於ps2_funcmod的暫存空間D直切驅動oData，所以數碼管事實反映ps2_funcmod的讀取狀況。從演示上來看的確如此，不過在時序身上，唯有通碼讀取成功以後，才會產生觸發訊號。

細節一：主操作與偽函式的距離

1.    case( i )

2.                     

3.        0:

4.        begin i <= FF_Read; Go <= i + 1'b1; end      

5.        1:

6.        if( D1 == BREAK ) begin i <= FF_Read; Go <= 5'd0; end

7.        else i <= i + 1'b1;      

8.        2:

9.        begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end  

10.        3:

11.        begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end

12.        /*************/ // PS2 read function 

13.        4:  // Start bit

14.        if( isH2L ) i <= i + 1'b1; 

15.        5,6,7,8,9,10,11,12:  // Data byte

16.        if( isH2L ) begin D1[ i-5 ] <= PS2_DAT; i <= i + 1'b1; end

17.        13: // Parity bit

18.        if( isH2L ) i <= i + 1'b1;                  

19.        14: // Stop bit

20.        if( isH2L ) i <= Go;

21.    

22.    endcase

程式碼7.3

如程式碼7.3所示，步驟0~3是主操作，步驟4~14則是偽函式，期間主操作的下任步驟直接連線偽函式的入口。一般而言，如果模組的核心操作是小功能的話，這樣做倒沒有什麼問題。反之，如果遇上覆雜功能的核心操作，主操作與偽函式之間必須隔空一段距離。根據筆者的習慣，預設下都會設為16或者32，不過也有例外的情況。

23.    case( i )

24.                     

25.        0:

26.        begin i <= FF_Read; Go <= i + 1'b1; end      

27.        1:

28.        if( D1 == BREAK ) begin i <= FF_Read; Go <= 5'd0; end

29.        else i <= i + 1'b1;      

30.        2:

31.        begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end  

32.        3:

33.        begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end

34.        /*************/ // PS2 read function 

35.        16:  // Start bit

36.        if( isH2L ) i <= i + 1'b1; 

37.        17,18,19,20,21,22,23,24:  // Data byte

38.        if( isH2L ) begin D1[ i-5 ] <= PS2_DAT; i <= i + 1'b1; end

39.        25: // Parity bit

40.        if( isH2L ) i <= i + 1'b1;                  

41.        26: // Stop bit

42.        if( isH2L ) i <= Go;

43.    

44.    endcase

程式碼7.4

如程式碼7.4所示，偽函式的入口地址已經設為16，為此主操作與偽函式之間有16個步驟的距離。如此一來，主操作擁有更多的步驟空間。

細節二：完整的個體模組

圖7.10 PS/2鍵盤功能模組。

圖7.10是PS/2鍵盤功能模組，內容基本上與PS/2功能模組一模一樣，至於區別就是穿上其它馬甲而已，所以怒筆者不再重複貼上了。