實驗八：PS/2模組② — 鍵盤與組合鍵

實驗七之際，我們學習如何讀取PS/2鍵盤傳送過來的通碼與斷碼，不過實驗內容也是一鍵按下然後釋放，簡單按鍵行為而已。然而，實驗八的實驗內容卻是學習組合鍵的按鍵行為。

不知讀者是否有類似的經歷？當我們使用鍵盤的時候，如果5~6按鍵同時按下，電腦隨之便會發出“嗶嗶”的警報聲，鍵盤立即失效。這是鍵盤限制設計，不同產品也有不同限制的按鍵數量。預設下，最大按鍵數量是5~7個。所謂組合鍵就是兩個以上的按鍵所產生的有效按鍵。舉例而言，按下按鍵 <A> 輸出“字元a”，按下 <Shift> + <A>便輸出“字元A”。不過要實現組合鍵，我們必須深入瞭解鍵盤的按鍵行為不可。

圖8.1 按下又立即釋放。

PS/2鍵盤最常見的按鍵行為是按下以後又立即釋放，假設筆者按下<A>鍵又立即釋放<A>鍵，那麼PS/2鍵盤便會產生類似圖8.1的時序。如圖8.1所示，當筆者按下 <A> 的時候，PS/2鍵盤便會發送8’h1C的通碼；反之，如果 <A> 被釋放，PS2鍵盤也會立即傳送8’hF0 8’h1C的斷碼。

圖8.2 長按又立即釋放。

如果筆者手癢長按 <A> 不放，那麼PS/2鍵盤便會按照100ms的間隔時間，不斷髮送通碼 8’h1C。期間，如果筆者釋放 <A>，那麼PS/2鍵盤便會發送 8’hF0 8’h1C的斷碼，時序結果如圖8.2所示。不管是圖8.1還是圖8.2的情況，都是PS/2鍵盤最常見的按鍵行為，亦即單鍵行為。話雖如此，單鍵行為既是最基礎的按鍵行為，多鍵行為也必須基於它。

圖8.3 多鍵行為，先按後放①。

多鍵行為不同單鍵行為，因為多鍵行為同時存在兩個以上的按鍵被按下，因此多鍵行為便有先按後放，先按先放等次序。假設筆者先按下<A>，然後又按下<LShift>，隨之PS/2鍵盤便會接續傳送通碼 8’h1C與 8’h12。如果筆者想要撒手， <LShift> 必須事先釋放，再者是 <A>，結果PS/2鍵盤便會連續傳送 8’hF0 8’h12 與 8’hF0 8’h1C的斷碼。

圖8.3 多鍵行為，先按後放②。

再假設筆者先按下 <A> 後按下 <LShift> 以後並沒有立即釋放任何按鍵，作為最後按下的按鍵，它可以得到執行權。如圖8.3所示，筆者先是按下 <A> 然後又按下 <Shift>，那麼PS/2鍵盤便會接續傳送 8’h1C 與 8’h12等通碼。假設筆者手指麻痺沒有立即釋放任何按鍵，那麼 <LShift> 就會得到執行權，結果保持長按狀態。此刻，PS/2鍵盤便會不停傳送 <LShift> 的通碼。

一旦手指回復知覺，然後按照先按後放的次序，先行釋放 <LShift> 然後釋放 <A>

，結果PS/2鍵盤便會接續傳送 8’hF0 8’h12 與 8’hF0 8’h1C 等斷碼。

圖8.5 多鍵行為，先按先放。

如果讀者不是按照先按後放，而是先按先放的次序，先按下 <A>，後按下 <LShift> 的話 ... 如圖8.5所示，假設筆者先按下 <A>，然後又按下 <LShift>，此刻PS/2鍵盤便會接續傳送 8’h1C與 8’h12等通碼。期間，筆者忽然手癢，覺得先按先放比較好玩，於是筆者故意鬆開 <A>，此刻PS/2鍵盤便會發送 8’hF0 8’h1C的斷碼。

同一時刻，<LShift> 亦然保持按下的姿勢，PS/2鍵盤傳送完畢 <A> 的斷碼以後，PS/2鍵盤也會不停傳送 <LShift> 的通碼 ... 直至筆者釋放 <LShift>，PS/2鍵盤傳送 8’hF0 8’h12的斷碼為止。

多鍵行為的終點就在於“先按後放”還是“先按先放”。不管是哪一種次序，下一刻按鍵都會搶奪上一刻按鍵的執行權與長按狀態。不過根據習慣，先按後放固然已經成為主流，唯有意外或者那個神經不協調的傻子才會選擇先按先放的次序。當我們理解PS/2鍵盤的多鍵行為以後，我們便可以開始實現組合鍵。

根據筆者的認識，PS/2鍵盤也有按鍵分類，如: <Shift>，<Ctrl> 還有 <Alt> 等按鍵，它們都是常見的組合（補助）按鍵。除此之外，筆記本或者一些特殊鍵盤也有不同的組合鍵，如：<FN> 與 <WIN> 按鍵。一般而言，我們都認為組合鍵是軟體的工作，雖然這是不擇不扣的事實，不過我們只要換個思路，Verilog也可以實現組合鍵。對此，我們只要將一隻組合鍵視為一個立旗狀態，所有難題都能迎刃而解。

圖8.6 組合鍵與立旗狀態。

假設筆者先按下 <LCtrl> 又按下 <LShift>，PS/2鍵盤傳送完畢 <LCtrl> 的通碼以後，isCtrl便會立旗。緊接著PS/2鍵盤又會發送 <L Shift> 的通碼，隨後 isShift也會立旗。

事後，筆者先釋放 <LShift> 再釋放 <LCtrl>，那麼PS/2鍵盤便會接續傳送 <LShift> 與 <LCtrl> 的斷碼。<LShift> 斷碼傳送完畢以後，isShift便會消除立旗。同樣 <LCtrl>斷碼傳送完畢以後 isCtrl也會消除立旗。

圖8.7 有效的組合鍵①。

為了表示有效的組合鍵，我們依然需要isDone這個高脈衝，我們雖然知道isDone產生高脈衝都是一般通碼輸出以後。不過在此，組合鍵不被認為是一般通碼。如圖8.7所示，假設筆者先按下 <LShift> 又按下 <A>，<LShift> 通碼傳送完畢以後便立旗 isShift；<A> 通碼 傳送完畢以後便拉高一會 isDone。如果此刻 isShift為拉高狀態，而且通碼<A> 又有效，那麼有效的組合鍵 <Shift> + <A> 便產生。

完後，筆者先釋放 <A> 在釋放 <LShift>，PS/2鍵盤便會接續傳送 <A> 與 <LShift>的斷碼。<A> 的斷碼沒有產生任何效果，反之 <LShift> 的斷碼則消除 isShift的立旗狀態。

圖8.8 有效的組合鍵②。

為了產生各種各樣的有效組合鍵，我們不可能不斷按下又釋放組合鍵 ... 換言之，不斷切換的傢伙只有非組合鍵而已，組合鍵則一直保持有效的狀態，直至傳送斷碼為止。如圖8.8所示，假設筆者先按下 <LShift> 又按下 <A>， <LShift> 通碼使 isShift 立旗，<A> 通碼使 isDone產生高脈衝，對此組成鍵 <Shift> + <A> 完成。

隨後，筆者釋放 <A>，PS/2鍵盤便傳送 <A> 斷碼。不一會，筆者又按下 <B>，<B>通碼使 isDone產生高脈衝，結果完成組合鍵 <Shift> + <B>。事後，筆者釋放 <B> 又釋放 <LShift>，PS/2鍵盤便會接續傳送斷碼 <B> 與 <LShift>，<B> 斷碼沒有異樣，<LShift> 斷碼則消除 isShift 的立旗狀態。

圖8.9 多狀態有效組合鍵。

除了當個組合鍵（一個立即狀態）以外，同樣的道理也能實現多個組合鍵（多個立旗狀態）。如圖8.9所示，筆者先是按下 <LCtrl> 又按下 <LShift>，<LCtrl>通碼立旗 isCtrl狀態，<LShift> 通碼則立旗 isShift 狀態。緊接著筆者又按下 <A>，<A>通碼導致 isDone產生一個高脈衝，此刻組合鍵 <Ctrl> + <Shift> + <A> 已經完成。然後筆者釋放 <A> 使其產生 <A>斷碼。

不一會，筆者又按下 <B>，結果 <B> 通碼驅使 isDone又產生另一個高脈衝，此刻組合鍵 <Ctrl> + <Shift> + <B> 已經完成。心滿意足的筆者接續釋放 <B>，<LShift> 還有 <LCtrl>。<B> 斷碼沒有任何異樣，<LShift> 斷碼消除 isShift立旗狀態，<LCtrl> 斷碼則消除 isCtrl立旗狀態。

一般而言，組合鍵最多可以達到3級，亦即 <Ctrl> + <Shift> + <Alt> + ?。話雖如此，除非對方的手指比猴子更靈活，不然要同時按照次序按下4個按鍵是一件容易傷害手指的蠢事。換之，一級與兩級的組合鍵已經足夠應用。理論上，Verilog要實現多少級組合鍵也沒有問題，但是過多的功能只是浪費而已。

好了，上述這些內容理解完畢以後，我們便可以開始建模了！

圖8.10 實驗八建模圖。

圖8.10是實驗八的建模圖，一個名為ps2_demo的組合模組，內含PS/2功能模組，還有數碼管基礎模組。PS/2功能模組的左方是 PS2_CLK 與 PS2_DAT 等頂層訊號的輸入，右方則是oData與oTag聯合驅動數碼管基礎模組。對此，數碼管除了輸出通碼以外，數碼管也會表示組合鍵的有效狀態。

ps2_funcmod.v

圖8.11 PS/2功能模組的建模圖。

相較圖8.10與圖8.11，圖8.11的PS/2功能模組還有oTrig，用來發送isDone的高脈衝。至於具體內容如何，讓我們來瞧瞧程式碼吧：

1.    module ps2_funcmod

2.    (

3.         input CLOCK, RESET,

4.         input PS2_CLK, PS2_DAT,

5.         output oTrig,

6.         output [7:0]oData,

7.         output [2:0]oTag

8.    );

以上內容為出入端宣告。

9.    

10.         parameter LSHIFT = 8'h12, LCTRL = 8'h14, LALT = 8'h11, BREAK = 8'hF0;

11.         parameter FF_Read= 5'd5;

12.    

13.         /*******************************/ // sub1

14.         

15.        reg F2,F1; 

16.         

17.        always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

18.             if( !RESET )

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

20.              else

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

22.    

23.         /*******************************/ // core

24.         

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

以上內容為常量宣告，周邊操作以及即時宣告。第10行是 LSHIFT，LCTRl 還有 LALT 等通碼的常量宣告。此外也有 BREAK 斷碼第一幀資料，還有偽函式的入口（第11行）。第15~21行是用來檢測電平變化的周邊操作，第25行則是下降沿的即時宣告。

26.         reg [7:0]D1;

27.         reg [2:0]isTag;  // [2] isShift, [1] isCtrl, [0] isAlt

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

29.         reg isDone;

30.         

31.         always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )

32.             if( !RESET )

33.                  begin

34.                         D1 <= 8'd0;

35.                         isTag <= 3'd0;

36.                         i <= 5'd0;

37.                         Go <= 5'd0;

38.                         isDone <= 1'b0;

39.                    end

40.               else

以上內容是相關的暫存器宣告以及復位操作。期間 isTag是狀態暫存器，isTag[2] 標示 isShift，isTag[1] 標示 isCtrl，isTag[0] 標示 isAlt。第33~38行則是這番暫存器的復位操作。

65.                          /****************/ // PS2 Read Function

66.                          

67.                          5:  // Start bit

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

69.                          

70.                          6,7,8,9,10,11,12,13:  // Data byte

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

72.                          

73.                          14: // Parity bit

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

75.                          

76.                          15: // Stop bit

77.                          if( isH2L ) i <= Go;

78.                            

79.                     endcase

以上內容為部分核心操作的偽函式。該偽函式讀取PS/2的1幀資料。

41.                    case( i )

42.                          

43.                          0: // Read Make

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

45.                          

46.                          1: // Set Flag

47.                          if( D1 == LSHIFT ) begin isTag[2] <= 1'b1; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0;end

48.                          else if( D1 == LCTRL ) begin isTag[1] <= 1'b1; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end

49.                          else if( D1 == LALT ) begin isTag[0] <= 1'b1; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end

50.                          else if( D1 == BREAK ) begin i <= FF_Read; Go <= i + 5'd3; end

51.                          else begin i <= i + 1'b1; end

52.                          

53.                          2:

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

55.                          

56.                          3:

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

58.                          

59.                          4: // Clear Flag

60.                          if( D1 == LSHIFT  ) begin isTag[2] <= 1'b0; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0;  end

61.                          else if( D1 == LCTRL ) begin isTag[1] <= 1'b0; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end

62.                          else if( D1 == LALT ) begin isTag[0] <= 1'b0; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0;  end

63.                          else begin D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end

以上內容是核心操作，操作的過程如下：

步驟0，進入偽函式等待讀取通碼，並且Go指向下一個步驟。

步驟1，檢測組合鍵與斷碼，如果是LShift 那麼isTag[2]立旗，然後返回步驟0；如果是 LCTRL 那麼 isTag[1] 立旗，然後返回步驟0；如果是 LALT 那麼 isTag[0] 立旗，然後返回步驟0。如果是 BREAK便進入偽函式，然後Go指向步驟4。如果什麼都不是便進入步驟2~3。

步驟2~3，產生完成訊號，然後返回步驟0。

步驟4，用來消除立旗狀態。步驟1為 BREAK便會進入這裡，如果斷碼為 LSHIFT便會消除 isTag[2]，LCTRL消除 isTag[1]，LALT 消除 isTag[0]，無視其它斷碼。最後返回步驟0。

80.         

81.         assign oTrig = isDone;

82.         assign oData = D1;

83.         assign oTag = isTag;

84.        

85.    endmodule

第81~83行是輸出驅動宣告。

ps2_demo.v

筆者在此就不再重複貼上建模圖了，請自行復習圖8.10。

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.         wire [7:0]DataU1;

9.         wire [2:0]TagU1;

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.              .oTrig(),

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

19.              .oTag( TagU1 ) // > U2

20.         );

21.         

22.       smg_basemod U2

23.        (

24.            .CLOCK( CLOCK ),

25.            .RESET( RESET ),

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

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

28.            .iData( { 12'h000 , 1'b0, TagU1, DataU1 } ) // < U1

29.        );

30.                 

31.    endmodule

基本上，ps2_demo 的內容並沒有什麼難度，所有連線部署都按照圖8.10。至於第28行，DataU1還有 TagU1聯合驅動數碼管基礎模組的iData。換句話說，無視數碼管的1~3位，第4位數碼管顯示組合鍵狀態，第5~6位數碼管則顯示通碼。

編譯完後便下載程式。如果同時按下 <LShift> + <LCtrl> + <LAlt>，第4位數碼管便會顯示 4’h7，亦即 4’b0111，或者說 isTag[2..0] 皆為立旗狀態。如果按下其它按鍵，如 <A>，那麼第5~6位的數碼管便會顯示 8’h1C。假設釋放 <LShift>，第4位數碼管便會顯示4’h3，亦即 4’b0011，或者說 isTag[1..0] 皆為立旗狀態。釋放 <A>，第5~6位數碼管則會顯示 8’h00。

細節一：完整的個體模組

圖8.12 PS/2鍵盤功能模組。

圖8.12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。