采用EP2C5T144C8 FPGA實(shí)現(xiàn)PS/2接口的設(shè)計(jì)方法

引言

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)接口多采用小鍵盤操作的文本菜單方式，用戶操作較為不便。本設(shè)計(jì)利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)PS/2接口鼠標(biāo)的控制，是在以VGA作為輸出設(shè)備的單片機(jī)系統(tǒng)上初步實(shí)現(xiàn)圖形化用戶界面的方案，它成本低、效果好，并且有很強(qiáng)的實(shí)用性。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的高密度、可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA及其軟件系統(tǒng)是開發(fā)數(shù)字電路的最新技術(shù)，它利用EDA技術(shù)，以電路原理圖、硬件描述語(yǔ)言及狀態(tài)機(jī)等形式輸入設(shè)計(jì)邏輯，提供功能模擬、時(shí)序仿真等模擬手段，在功能模擬和時(shí)序仿真度滿足要求后，經(jīng)過一系列變換，將輸入邏輯轉(zhuǎn)換成FPGA器件的編程文件，以實(shí)現(xiàn)專用集成電路。本設(shè)計(jì)選用Altera公司推出的CyclONe II系列的EP2C5T144C8 FPGA來設(shè)計(jì)PS/2接口，體積減小，可靠性提高。

PS/2接口和協(xié)議

接口的物理特性

PS/2接口用于許多現(xiàn)代的鼠標(biāo)和鍵盤，由IBM最初開發(fā)和使用。物理上的PS/2接口有兩種類型的連接 器 ：5腳的DIN和６腳的MINI-DIN。圖1就是兩種連接器的引腳定義。使用中，主機(jī)提供+5V電源給鼠標(biāo)，鼠標(biāo)的地連接到主機(jī)電源地上。

接口協(xié)議原理

PS/2鼠標(biāo)接口采用一種雙向同步串行協(xié)議，即每在時(shí)鐘線上發(fā)一個(gè)脈沖，就在數(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。在相互傳輸中，主機(jī)擁有總線控制權(quán)，即它可以在任何時(shí)候抑制鼠標(biāo)的發(fā)送，方法是把時(shí)鐘線一直拉低，鼠標(biāo)就不能產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并發(fā)送數(shù)據(jù)。在兩個(gè)方向的傳輸中，時(shí)鐘信號(hào)都由鼠標(biāo)產(chǎn)生，主機(jī)不產(chǎn)生通信時(shí)鐘信號(hào)。

如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，就必須控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，方法如下：主機(jī)首先下拉時(shí)鐘線至少100μS抑制通信，然后再下拉數(shù)據(jù)線，最后釋放時(shí)鐘線。鼠標(biāo)檢測(cè)到這個(gè)時(shí)序狀態(tài)后，會(huì)在10mS內(nèi)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。如圖3中（Ａ）時(shí)序段。主機(jī)和鼠標(biāo)之間，傳輸數(shù)據(jù)幀的時(shí)序如圖2、圖3所示。

PS/2鼠標(biāo)的工作模式和協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

PS/2鼠標(biāo)的四種工作模式

PS/2鼠標(biāo)的四種工作模式分別是：Reset模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或主機(jī)發(fā)復(fù)位命令（0xFF）給它時(shí)，進(jìn)入這種模式；STream模式，鼠標(biāo)的默認(rèn)模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或復(fù)位完成后，自動(dòng)進(jìn)入此模式，鼠標(biāo)基本上以此模式工作；Remote模式，只有在主機(jī)發(fā)送了模式設(shè)置命令（0xF0）后，鼠標(biāo)才進(jìn)入這種模式；Wrap模式，這種模式只用于測(cè)試鼠標(biāo)與主機(jī)連接是否正確。

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

PS/2鼠標(biāo)在工作過程中，會(huì)及時(shí)把它的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表１所示。

Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分別表示左、右、中鍵的狀態(tài)，狀態(tài)值０表示釋放，１表示按下；Byte2和Byte3分別表示Ｘ軸和Ｙ軸方向的移動(dòng)計(jì)量值，是二進(jìn)制補(bǔ)碼值；Byte4的低四位表示滾輪的移動(dòng)計(jì)量值，也是二進(jìn)制補(bǔ)碼值，高四位作為擴(kuò)展符號(hào)位。這種數(shù)據(jù)包由帶滾輪的三鍵三維鼠標(biāo)產(chǎn)生，若是不帶滾輪的三鍵鼠標(biāo)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包沒有Byte4，其余的相同。

VGA信號(hào)時(shí)序

圖4所示是計(jì)算機(jī)VGA（640×480，60Hz）圖像格式的信號(hào)時(shí)序圖，其點(diǎn)時(shí)鐘DCLK為25．175MHz，場(chǎng)頻為59．94Hz。圖中，Vsync為場(chǎng)同步信號(hào)，場(chǎng)周期Tvsync為16．683mS，每場(chǎng)有525行，其中480行為有效顯示行，45行為場(chǎng)消隱期。場(chǎng)同步信號(hào)Vs每場(chǎng)有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度twv為63μS（2行）。場(chǎng) 消隱期包括場(chǎng)同步時(shí)間twv、場(chǎng)消隱前肩tHV（13行）和場(chǎng)消隱后肩tVH（30行），共45行。行周期THSYNC為31．78μS，每顯示行包 括800點(diǎn)，其中640點(diǎn)為有效顯示，160點(diǎn)為行消隱期（非顯示 區(qū)）。行同步信號(hào)Hs每行有一個(gè)脈沖，該脈沖的低電平寬度tWH為3．81μS（即96個(gè)DCLK）；行消隱期包括行同步時(shí)間tWH，行消隱前肩tHC（19個(gè)DCLK）和行消隱后肩tCH（45個(gè)DCLK），共160個(gè)點(diǎn)時(shí)鐘。復(fù)合消隱信號(hào)是行消隱信號(hào)和場(chǎng)消隱信號(hào)的邏輯與，在有效顯示期復(fù)合消隱信號(hào)為高電平，在非顯示區(qū)域它是低電平。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)功能

1、 用FPGA實(shí)現(xiàn)PS/2鼠標(biāo)接口。

2、鼠標(biāo)左鍵按下時(shí)十字形鼠標(biāo)圖象的中間方塊改變顏色，右鍵按下時(shí)箭頭改變顏色。

3、 Reset按鍵：總復(fù)位。

設(shè)計(jì)原理

主機(jī)復(fù)位后，首先向鼠標(biāo)發(fā)送初始化命令（0xf4）。當(dāng)鼠標(biāo)收到命令字后會(huì)給出一個(gè)應(yīng)答字節(jié)（0xfa），主機(jī)根據(jù)應(yīng)答字節(jié)來判斷鼠標(biāo)是否正確應(yīng)答。如果應(yīng)答正確則接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包，然后從接收到的數(shù)據(jù)包中獲得鼠標(biāo)位置及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并輸出給顯示模塊。顯示模塊在CRT上顯示出當(dāng)前鼠標(biāo)的狀態(tài)和位置，否則，停止處理。如圖5。

如圖6，當(dāng)狀態(tài)機(jī)m2_state復(fù)位時(shí)，即進(jìn)入m2_reset狀態(tài)，并在 一個(gè)clk周期后進(jìn)入m2_hold_clk_l狀態(tài)，當(dāng)ps2_clk_hi_z（時(shí)鐘線）被拉低并保持400μS后進(jìn)入m2_data_low_1狀態(tài)，此時(shí)向鼠標(biāo) 發(fā)送起始 位和d［0］、d［1］（d［0］=d［1］=0）。完成后進(jìn)入m2_data_high_1狀態(tài)， 發(fā)送d［2］（d［2］=1）并進(jìn)入m2_data_low_2狀態(tài)，此時(shí)向鼠標(biāo)發(fā)送d［3］位（d［3］=0）， 完成發(fā)送進(jìn)入m2_data_high_2狀態(tài)，向鼠標(biāo)發(fā)送d［4］、d［5］、d［6］、d［7］（d［4］=d［5］=d［6］=d［7］=1），完成發(fā)送進(jìn)入m2_data_low_3狀 態(tài)，向鼠標(biāo)發(fā)送奇偶校驗(yàn)位，然后進(jìn)入m2_data_high_3狀態(tài)，將數(shù)據(jù)線拉高，等待鼠標(biāo)返回應(yīng)答信號(hào)。若PS/2時(shí)鐘信號(hào)下降沿來臨時(shí)，數(shù)據(jù)線仍未變?yōu)楦唠娖?，則進(jìn)入m2_error_no_ack狀態(tài)，此時(shí)握手失敗，系統(tǒng)將保持m2_error_no_ack狀態(tài)直到下一次復(fù)位，否則進(jìn)入m2_await_response狀態(tài)接收應(yīng)答字，接收完成進(jìn)入m2_verify數(shù)據(jù)校驗(yàn)，然后進(jìn)入m2_use狀態(tài)，鎖存輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)入m2_wait狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到時(shí)鐘下降沿后進(jìn)入m2_gather狀態(tài)，接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包，接收完成進(jìn)入m2_verify狀態(tài)，此時(shí)便形成了數(shù)據(jù)接收循環(huán)。

PS/2程序源碼

entity mouse is

Port （clk ： in std_logic; reset ： in std_logic; ps2_clk ： inout std_logic; ps2_data ： inout std_logic; left_button ： out std_logic; right_button ： out std_logic; mousex： buffer std_logic_vector（9 downto 0）; mousey： buffer std_logic_vector（9 downto 0）; data_ready ： out std_logic; error_no_ack ： out std_logic）;

end mouse;

architecture Behavioral of mouse is

--變量、信號(hào)定義（略）

begin

ps2_clk 《= ‘0’ when ps2_clk_hi_z=‘0’ else ‘Z’;

ps2_data 《= ‘0’ when ps2_data_hi_z=‘0’ else ‘Z’;

--檢測(cè)ps2clk上升沿和下降沿（略）

m2statech： process （reset， clk） ------------------m2 狀態(tài)

begin

if （reset=‘0’） then

m2_state 《= m2_reset;

elsif （clk‘event and clk=’1‘） then

m2_state 《= m2_next_state;

end if;

end procESS;

--m2 狀態(tài)傳輸邏輯

m2statetr： process （m2_state， q， fall，rise，watchdog_timer_done，bitcount，ps2_data，packet_good）

begin

ps2_clk_hi_z 《= ’1‘;

ps2_data_hi_z 《= ’1‘;

error_no_ack 《= ’0‘;

output_strobe 《= ’0‘;

case m2_state is

when m2_reset =》 -- 復(fù)位后向鼠標(biāo)發(fā)送命令字

m2_next_state 《= m2_hold_clk_l;

when m2_wait =》

if （fall=’1‘） then

m2_next_state 《= m2_gather;

else

m2_next_state 《= m2_wait;

end if;

when m2_gather =》

if （（watchdog_timer_done=’1‘） and （bitcount=TOTAL_BITS））then

m2_next_state 《= m2_verify;

else

m2_next_state 《= m2_gather;

end if;

when m2_verify =》

--if （bitcount 《 TOTAL_BITS） then

--m2_next_state 《= m2_wait;

--else

m2_next_state 《= m2_use;

--end if;

when m2_use =》

output_strobe 《= ’1‘;

m2_next_state 《= m2_wait;

-- 用狀態(tài)機(jī)的9個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)命令字傳輸，使鼠標(biāo)進(jìn)入“streaming”模式，并等待鼠標(biāo)正確應(yīng)答 ［page］

when m2_hold_clk_l =》

ps2_clk_hi_z 《= ’0‘; -- 啟動(dòng)看門狗！

if （watchdog_timer_done=’1‘） then

m2_next_state 《= m2_data_low_1;

else

m2_next_state 《= m2_hold_clk_l;

end if;

when m2_data_low_1 =》

ps2_data_hi_z 《= ’0‘; -- 數(shù)據(jù)位 開始位， d［0］ and d［1］

if （fall=’1‘ and （bitcount = 2）） then

m2_next_state 《= m2_data_high_1;

else

m2_next_state 《= m2_data_low_1;

end if;

when m2_data_high_1 =》

ps2_data_hi_z 《= ’1‘; -- 數(shù)據(jù)位 d［2］

if （fall=’1‘ and （bitcount = 3）） then

m2_next_state 《= m2_data_low_2;

else

m2_next_state 《= m2_data_high_1;

end if;

when m2_data_low_2 =》

ps2_data_hi_z 《= ’0‘; -- 數(shù)據(jù)位 d［3］

if （fall=’1‘ and （bitcount = 4）） then

m2_next_state 《= m2_data_high_2;

else

m2_next_state 《= m2_data_low_2;

end if;

when m2_data_high_2 =》

ps2_data_hi_z 《= ’1‘; -- 數(shù)據(jù)位 d［4］，d［5］，d［6］，d［7］

if （fall=’1‘ and （bitcount = 8）） then

m2_next_state 《= m2_data_low_3;

else

m2_next_state 《= m2_data_high_2;

end if;

when m2_data_low_3 =》

ps2_data_hi_z 《= ’0‘; -- 奇偶校驗(yàn)位

if （fall=’1‘） then

m2_next_state 《= m2_data_high_3;

else

m2_next_state 《= m2_data_low_3;

end if;

when m2_data_high_3 =》

ps2_data_hi_z 《= ’1‘; -- 允許鼠標(biāo)拉成低電平（ACK脈沖）

if （fall=’1‘ and （ps2_data=’1‘）） then

m2_next_state 《= m2_error_no_ack;

elsif （fall=’1‘ and （ps2_data=’0‘）） then

m2_next_state 《= m2_await_response;

else

m2_next_state 《= m2_data_high_3;

end if;

when m2_error_no_ack =》

error_no_ack 《= ’1‘;

m2_next_state 《= m2_error_no_ack;

-- 為了鼠標(biāo)正確進(jìn)入“streaming”模式，狀態(tài)極必須等待足夠長(zhǎng)的時(shí)間，確保鼠標(biāo)正確應(yīng)答0xFA。

when m2_await_response =》

--if （bitcount = 22） then

m2_next_state 《= m2_verify;

--else

-- m2_next_state 《= m2_await_response;

--end if;

when others =》 m2_next_state 《= m2_wait;

end case;

end process;-----------------------------m2 狀態(tài)結(jié)束

-- 位計(jì)數(shù)器 （略）

-- 數(shù)據(jù)移位寄存器（略）

-- 看門狗時(shí)間計(jì)數(shù)器（略）

watchdog_timer_done 《= ’1‘ when （watchdog_timer_count=WATCHDOG-1） else ’0‘;

packet_good 《= ’1‘; -- 接收數(shù)據(jù)包有效標(biāo)志

outdata： process （reset， clk） -- 輸出數(shù)據(jù)

begin

if （reset=’0‘） then

left_button 《= ’0‘;

right_button 《= ’0‘;

elsif （clk’event and clk=‘1’） then

if （output_strobe=‘1’） then

left_button 《= q（1）;

right_button 《= q（2）;

mouseyy 《= not （q（6） & q（6） & q（30 downto 23）） + “1”;

end if;

end if;

end process;

cordinatex： process （reset， clk）

begin

if （reset=‘0’） then

mousex 《= “0110010000”; -- 400

elsif （clk‘event and clk=’1‘） then

if （output_strobe=’1‘） then

if （（mousex 》= 797 and q（5）=’0‘） or （mousex 《= 2 and

q（5）=’1‘）） then

mousex 《= mousex;

else

mousex 《= mousex + （q（5） & q（5） & q（19 downto

12））;--q（5）：xsign q（6）：ysign

end if;

end if;

end if;

end process;

cordinatey： process （reset， clk）

begin

if （reset=’0‘） then

mousey 《= “0100101100”; -- 300

elsif （clk’event and clk=‘1’） then

if （output_strobe=‘1’） then

if （（mousey 》= 597 and q（6）=‘1’） or （mousey 《= 2

and q（6）=‘0’）） then

mousey 《= mousey;

else

m ousey 《= mousey + mouseyy; --（q（6） & q（6） & q（30

downto 23））;

end if;

end if;

end if;

end process;

data_ready 《= output_strobe;

end Behavioral;

結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用了清華大學(xué)THCII-1創(chuàng)新SoPC實(shí)驗(yàn)套件進(jìn)行綜合、仿真和下載，測(cè)試得到了滿意的效果，完整地實(shí)現(xiàn)了對(duì)PS/2和VGA的時(shí)序驅(qū)動(dòng)。

該設(shè)計(jì)可以被應(yīng)用到各種需要鼠標(biāo)操作、以VGA作為顯示的嵌入式系統(tǒng)中，從而大大提高人機(jī)交互能力，降低了開發(fā)成本，提高了開發(fā)效率，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了可靠的保障。

責(zé)任編輯：gt