鍵盤接口控制器設(shè)計(jì)

1、PS2鍵盤接口控制器設(shè)計(jì) PS/2鍵盤接口控制器設(shè)計(jì)班級(jí) 姓名： 學(xué)號(hào)： 班內(nèi)序號(hào)： 時(shí)間： 課題名稱：PS/2鍵盤接口控制器設(shè)計(jì)一、摘要和關(guān)鍵詞摘要： PS/2是在電腦上常見的接口之一，用于鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備。PS/2接口是輸入裝置接口，而不是傳輸接口，所以PS/2口只有掃描速率。在Windows環(huán)境下，PS/2鼠標(biāo)的采樣率默認(rèn)為60次/秒。微控制器所要作的工作就是監(jiān)測(cè)所有的按鍵，以及當(dāng)按鍵被按下或放開時(shí)，就回報(bào)給主機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中，通過數(shù)字可編程芯片模擬控制器將鍵盤的輸入分別輸出到數(shù)碼管和點(diǎn)陣顯示。關(guān)鍵詞：PS/2接口 點(diǎn)陣 數(shù)碼管 數(shù)字可編程芯片二、設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)PS/2鍵盤接口控制

2、器，實(shí)現(xiàn)以下功能：1. 按照PS/2鍵盤接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，接收PS/2鍵盤發(fā)送的數(shù)據(jù)，用數(shù)碼管顯示接收到的鍵值（只顯示09，az，部分不便用數(shù)碼管顯示的字符可自行設(shè)定顯示方式，接收到其他鍵值則不顯示）；2. 用88點(diǎn)陣做顯示屏，顯示所有按鍵的鍵值。三、設(shè)計(jì)思路、總體結(jié)構(gòu)框圖1. 設(shè)計(jì)思路：帶PS/2接口的鍵盤與實(shí)驗(yàn)開發(fā)板連接后，通過可編程芯片讀取鍵盤輸入的鍵值，通過數(shù)據(jù)線分別傳送至數(shù)碼管和8*8點(diǎn)陣顯示。在實(shí)驗(yàn)中，分三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所要求的功能：檢測(cè)鍵盤輸入鍵值模塊、數(shù)碼管顯示模塊、8*8點(diǎn)陣顯示模塊。將三個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)好后，組合在一起，即可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所要求的功能。2. 總體結(jié)構(gòu)框圖：四、

3、控制器部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和流程圖1. 控制器部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示（其中狀態(tài)值是shift_in的值，假設(shè)本次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)據(jù)值是11010011，傳輸其他字節(jié)數(shù)據(jù)信息時(shí)，同理，只需修改shift_in值即可）：2. 控制器部分的流程圖如下圖所示：五、分塊電路和總體電路設(shè)計(jì)分三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所要求的功能：檢測(cè)鍵盤輸入鍵值模塊、數(shù)碼管顯示模塊、8*8點(diǎn)陣顯示模塊。其組合關(guān)系如下圖所示：實(shí)驗(yàn)完成后的總體效果圖如下圖所示：1. 檢測(cè)鍵盤輸入鍵值模塊設(shè)計(jì)檢測(cè)帶PS/2接口的鍵盤輸入時(shí)，需要按照特定的步驟來執(zhí)行操作，才能正確地讀取鍵盤輸入的鍵值。嚴(yán)格的讀取數(shù)據(jù)步驟為：1）等待鍵盤時(shí)鐘信號(hào)clock =

4、high；2）延時(shí)50微秒；3）鍵盤時(shí)鐘信號(hào)clock仍舊為high？No則回到第1步，Yes則向下執(zhí)行；4）數(shù)據(jù)控制信號(hào)data=high?No則放棄(并且從主機(jī)讀取字節(jié))，Yes則向下執(zhí)行；5）延遲20微秒(若正在發(fā)送起始位則延時(shí)40微秒)；6) 輸出起始位bit (0) (在發(fā)送所有這些位的每一位后都要檢測(cè)時(shí)鐘線)；7) 輸出8個(gè)數(shù)據(jù)位(測(cè)試時(shí)鐘確認(rèn)主機(jī)是否把時(shí)鐘線拉低了)；8) 輸出校驗(yàn)位；9) 輸出停止位，延遲30 毫秒。而按如下的過程發(fā)送單個(gè)位1）設(shè)置復(fù)位數(shù)據(jù)；2）延遲20微秒；3）把時(shí)鐘拉低；4）延遲40微秒；5）釋放時(shí)鐘；6）延遲20微秒。通過實(shí)際情況修正與改進(jìn)以上步驟，在本實(shí)

5、驗(yàn)中采用的讀取鍵盤輸入鍵值模塊的VHDL語言編程的流程圖如下圖所示：2. 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)當(dāng)需要在一個(gè)數(shù)碼管上顯示字符時(shí)只要在數(shù)據(jù)端需要點(diǎn)亮的字段管腳上輸入1,不需要點(diǎn)亮的字段輸入管腳上輸入0,同時(shí)把相應(yīng)的控制端置為0即可。當(dāng)鍵盤鍵值和數(shù)字09的通碼比較后，即可送往數(shù)碼管顯示。數(shù)字09對(duì)應(yīng)的ag、p的高低電平如下表所示：數(shù)字abcdefgp011111100101100000211011010311110010401100110510110110610111110711100000811111110911110110數(shù)碼管功能原理圖如下圖所示：3. 8*8點(diǎn)陣顯示模塊點(diǎn)陣是由8行8列一共64

6、個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成。一共對(duì)外的管腳有16條，分為行ROW1ROW8 和列COL1COL8。點(diǎn)亮EPM1270TCC54芯片上的點(diǎn)陣上某一個(gè)點(diǎn)的條件是對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的行管腳輸出高電平，列管腳輸出低電平。利用點(diǎn)陣顯示某個(gè)字符時(shí)，需要先計(jì)算出需要點(diǎn)亮點(diǎn)陣的哪些點(diǎn)，再使用行掃描的掃描方式對(duì)點(diǎn)陣逐行掃描，即可顯示所需要顯示的字符，其流程圖如下所示：六、所實(shí)現(xiàn)功能說明1. 已完成的基本功能和擴(kuò)展功能：1）可分別用撥碼開關(guān)SW0SW5控制是否使用數(shù)碼管DSP1DSP6顯示數(shù)字鍵值，數(shù)碼管可顯示數(shù)字09；2）可用SW7控制是否使用8*8點(diǎn)陣顯示鍵值，點(diǎn)陣可顯示數(shù)字09、字母AZ；3）可用SW6控制是否讀取鍵盤輸入的鍵

7、值。2. 器件資源占用情況：使用了41個(gè)管腳接口，如下圖所示：使用了336個(gè)宏單元，如下圖所示：3. 關(guān)鍵波形仿真：在進(jìn)行波形仿真時(shí)，由于本實(shí)驗(yàn)?zāi)MPS/2控制器的特殊性，輸入的主要數(shù)據(jù)是keyboard_data，每次讀取1位數(shù)據(jù)，在波形仿真時(shí)，輸出的是鍵盤鍵值的通碼，輸入輸出的數(shù)據(jù)的位數(shù)不一致（keyboard_data是1位，而輸出是8位），由于仿真時(shí)系統(tǒng)的時(shí)鐘不能太快，否則仿真時(shí)間會(huì)特別長(zhǎng)導(dǎo)致軟件崩潰，故在仿真波形上只能看到點(diǎn)陣中第一行的波形4. 測(cè)試方法與步驟：主要按以下步驟進(jìn)行本系統(tǒng)的調(diào)試與改進(jìn)：1）鍵盤與實(shí)驗(yàn)開發(fā)板之間連接好；2）單獨(dú)編寫數(shù)碼管顯示程序，利用數(shù)碼管顯示特定的數(shù)字；

8、3）單獨(dú)編寫點(diǎn)陣顯示程序，利用點(diǎn)陣顯示特定的字符；4）編寫鍵盤輸入鍵值讀取程序，并和數(shù)碼管程序結(jié)合起來，把輸出數(shù)據(jù)送至數(shù)碼管顯示。這時(shí)，就可以根據(jù)數(shù)碼管顯示的字符是否正確來改進(jìn)鍵盤輸入鍵值讀取程序，只要數(shù)碼管能正確顯示一個(gè)數(shù)字，顯示其余的數(shù)字也就是重復(fù)相同的原理而已；5）在前面4步調(diào)試好后，把三個(gè)模塊檢測(cè)鍵盤輸入鍵值模塊、數(shù)碼管顯示模塊、8*8點(diǎn)陣顯示模塊的程序組合起來即可。七、故障及問題分析在編寫檢測(cè)鍵盤輸入鍵值模塊的VHDL程序時(shí)，按照參考資料上的特定步驟，并不能正確地讀取鍵盤輸入的鍵值。問題分析：對(duì)于兩份PDF參考資料上關(guān)于PS/2設(shè)備向主機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)和一位數(shù)據(jù)的描述，其是建立在向主機(jī)

9、（計(jì)算機(jī)）發(fā)送的基礎(chǔ)上的，而本實(shí)驗(yàn)中利用數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)開發(fā)板模擬PS/2控制器，數(shù)字芯片可以直接從鍵盤數(shù)據(jù)輸入口讀取數(shù)據(jù)，省去了很多不必需的步驟：1）校驗(yàn)位和停止位：由于起始位始終為0，數(shù)據(jù)位為8位，而檢驗(yàn)位與停止位讀取與否并不影響該程序的功能實(shí)現(xiàn)，所以只需讀取PS/2鍵盤的起始位和數(shù)據(jù)位，并且最終將8位數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)存入data_cade和data_code1。這樣，既不影響程序功能的正確實(shí)現(xiàn)，又能精簡(jiǎn)程序代碼。2）時(shí)鐘信號(hào)電平：在參考資料中，在讀取數(shù)據(jù)位時(shí)，要求時(shí)鐘信號(hào)為高。但在實(shí)際編程仿真中發(fā)現(xiàn)：在等待時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，它的電平高低對(duì)后來的讀取數(shù)據(jù)并沒有影響。這也是本次實(shí)驗(yàn)的特殊之處，同樣，對(duì)于數(shù)據(jù)位

10、的高低電平也不必強(qiáng)制要求。3）延時(shí)問題：在參考資料中，反復(fù)提到讀取數(shù)據(jù)位過程中的延時(shí)，但在編程中發(fā)現(xiàn)并不需要設(shè)置延時(shí)，而同樣能正確地讀取了鍵盤輸入的數(shù)據(jù)。在使用VHDL語言編程、利用數(shù)字可編程芯片仿真PS/2控制器時(shí)，并不需要專門的延時(shí)時(shí)間，鍵盤數(shù)據(jù)是每一位連續(xù)傳向數(shù)據(jù)線的，其中指令的執(zhí)行時(shí)間已經(jīng)足夠控制芯片讀取數(shù)據(jù)的緩沖時(shí)間。八、總結(jié)和結(jié)論通過這次數(shù)電實(shí)驗(yàn)，我進(jìn)一步加深了對(duì)可編程邏輯器件的認(rèn)識(shí)，熟練掌握了quartus ii軟件的使用方法，包括編程，仿真下載測(cè)試。并且系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了VHDL語言。 同時(shí)，學(xué)習(xí)了PS/2協(xié)議，了解了PS/2鍵盤是如何向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的，也解開了我從小到大一直的疑惑。

11、九、參考文獻(xiàn)1 PS/2鍵盤協(xié)議2數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院電路實(shí)驗(yàn)中心2009年3月十、源程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_arith.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity keyboard is port( keyboard_clk, keyboard_data, key_stop: in std_logic;-鍵盤時(shí)鐘信號(hào)，1位數(shù)據(jù)信號(hào)，終止鍵盤輸入信號(hào)clk:in std_logic;-系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)led_clr: in st

12、d_logic;-點(diǎn)陣顯示復(fù)位信號(hào) led_code: out std_logic_vector(7 downto 0); -接收到的送數(shù)碼管顯示的8位數(shù)據(jù)信號(hào)cat: out std_logic_vector(5 downto 0);-控制哪個(gè)數(shù)碼管顯示swcat: in std_logic_vector(5 downto 0);-利用撥碼開關(guān)控制哪個(gè)數(shù)碼管顯示 row: out std_logic_vector(7 downto 0);-行通量 col: out std_logic_vector(7 downto 0);-列通量end keyboard;architecture a of

13、keyboard issignal counter : std_logic_vector(3 downto 0); -計(jì)數(shù)器signal shift_in : std_logic_vector(8 downto 0); -包含1個(gè)起始位和8個(gè)數(shù)據(jù)位signal read_bit : std_logic; -是否讀取數(shù)據(jù)控制信號(hào)signal data_code : std_logic_vector(7 downto 0); -8位數(shù)據(jù)信號(hào)signal data_code1: std_logic_vector(7 downto 0);-點(diǎn)陣顯示signal temp: integer range

14、1 to 8;-列掃描控制信號(hào)signal t: std_logic;signal clkout: std_logic;beginprocess(clk)-1K分頻器variable count: integer range 0 to 1000;beginif (clkevent and clk=1) thenif (count = 499) thencount := 0;t = not t;elsecount := count + 1;end if;end if;clkout = t;end process;processbeginwait until (keyboard_clkevent

15、and keyboard_clk = 0);-等待鍵盤時(shí)鐘信號(hào)為低電平if key_stop = 1 then -終止鍵盤輸入 counter = 0000; -計(jì)數(shù)器設(shè)置為0 read_bit = 0; -讀取數(shù)據(jù)控制信號(hào)為低電平else if keyboard_data = 0 and read_bit = 0 then -數(shù)據(jù)線信號(hào)為低電平且讀取數(shù)據(jù)控制信號(hào)為低電平 read_bit= 1; -則開始讀取數(shù)據(jù)位 else if read_bit = 1 then -開始處理8個(gè)數(shù)據(jù)位 if counter 1001 then -計(jì)數(shù)器小于1001時(shí) counter = counter +

16、 1; -計(jì)數(shù)器加1 shift_in(7 downto 0) = shift_in(8 downto 1); -每次不讀取shift_in(0)(該位為起始位) shift_in(8) = keyboard_data; -讀取新的數(shù)據(jù)位 else data_code = shift_in(7 downto 0); -存儲(chǔ)8位數(shù)據(jù)信號(hào) data_code1 = shift_in(7 downto 0); -存儲(chǔ)8位數(shù)據(jù)信號(hào) read_bit = 0; -讀取數(shù)據(jù)控制信號(hào)置0 counter = 0000; -計(jì)數(shù)器置0 end if; end if; end if;end if;end pro

17、cess;process(data_code)-數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示begin cat led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code led_code = 00000000; end case;end process;process(data_code1,clkout)-數(shù)據(jù)送led點(diǎn)陣顯示beginif led_clr=1 then -復(fù)位row=00000000;col=00000000;temp rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolco

18、lcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcol rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcol rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcol rowcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolcolc