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浅谈PS/2接口协议的剖析
论文摘要：文中详细介绍了PS/2接口协议的内容、电气特性和标准键盘的第二套键盘扫描码集。给出了基于嵌入式系统的PS/2接口的软、硬件实现方法，并介绍了工控PC外接双键盘的解决方案。通过使用模拟开关CD4052巧妙地解决了工控PC外接双键盘的冲突问题。１ ＰＳ／２接口标准的发展过程
随着计算机工业的发展，作为计算机最常用输入设备的键盘也日新月异。１９８１年ＩＢＭ推出了ＩＢＭ ＰＣ／ＸＴ键盘及其接口标准。该标准定义了８３键，采用５脚ＤＩＮ连接器和简单的串行协议。实际上，第一套键盘扫描码集并没有主机到键盘的命令。为此，１９８４年ＩＢＭ推出了ＩＢＭＡＴ键盘接口标准。该标准定义了８４～１０１键，采用５脚ＤＩＮ连接器和双向串行通讯协议，此协议依照第二套键盘扫描码集设有８个主机到键盘的命令。到了１９８７年，ＩＢＭ又推出了ＰＳ／２键盘接口标准。该标准仍旧定义了８４～１０１键，但是采用６脚ｍｉｎｉ－ＤＩＮ连接器，该连接器在封装上更小巧，仍然用双向串行通讯协议并且提供有可选择的第三套键盘扫描码集，同时支持１７个主机到键盘的命令。现在，市面上的键盘都和ＰＳ／２及ＡＴ键盘兼容，只是功能不同而已。
２ ＰＳ／２接口硬件
２．１ 物理连接器
一般，具有五脚连接器的键盘称之为ＡＴ键盘，而具有六脚ｍｉｎｉ－ＤＩＮ连接器的键盘则称之为ＰＳ／２键盘。其实这两种连接器都只有四个脚有意义。它们分别是Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）、Ｄａｔａ?数据脚?、＋５Ｖ（电源脚）和Ｇｒｏｕｎｄ（电源地）。在ＰＳ／２键盘与ＰＣ机的物理连接上只要保证这四根线一一对应就可以了。ＰＳ／２键盘靠ＰＣ的ＰＳ／２端口提供＋５Ｖ电源，另外两个脚Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）和Ｄａｔａ?数据脚?都是集电极开路的，所以必须接大阻值的上拉电阻。它们平时保持高电平，有输出时才被拉到低电平，之后自动上浮到高电平。现在比较常用的连接器如图１所示。
２．２ 电气特性
ＰＳ／２通讯协议是一种双向同步串行通讯协议。通讯的两端通过Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）同步，并通过Ｄａｔａ（数据脚）交换数据。任何一方如果想抑制另外一方通讯时，只需要把Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）拉到低电平。如果是ＰＣ机和ＰＳ／２键盘间的通讯，则ＰＣ机必须做主机，也就是说，ＰＣ机可以抑制ＰＳ／２键盘发送数据，而ＰＳ／２键盘则不会抑制ＰＣ机发送数据。一般两设备间传输数据的最大时钟频率是３３ｋＨｚ，大多数ＰＳ／２设备工作在１０～２０ｋＨｚ。推荐值在１５ｋＨｚ左右，也就是说，Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）高、低电平的持续时间都为４０μｓ。每一数据帧包含１１～１２个位，具体含义如表１所列。
表1 数据帧格式说明
1个起始位总是逻辑0
8个数据位（LSB）低位在前
1个奇偶校验位奇校验
1个停止位总是逻辑1
1个应答位仅用在主机对设备的通讯中
表中，如果数据位中１的个数为偶数，校验位就为１；如果数据位中１的个数为奇数，校验位就为０；总之，数据位中１的个数加上校验位中１的个数总为奇数，因此总进行奇校验。
２．３ ＰＳ／２设备和ＰＣ机的通讯
ＰＳ／２设备的Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）和Ｄａｔａ?数据脚?都是集电极开路的，平时都是高电平。当ＰＳ／２设备等待发送数据时，它首先检查Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）以确认其是否为高电平。如果是低电平，则认为是ＰＣ机抑制了通讯，此时它必须缓冲需要发送的数据直到重新获得总线的控制权（一般ＰＳ／２键盘有１６个字节的缓冲区，而ＰＳ／２鼠标只有一个缓冲区仅存储最后一个要发送的数据）。如果Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）为高电平，ＰＳ／２设备便开始将数据发送到ＰＣ机。一般都是由ＰＳ／２设备产生时钟信号。发送时一般都是按照数据帧格式顺序发送。其中数据位在Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）为高电平时准备好，在Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）的下降沿被ＰＣ机读入。ＰＳ／２设备到ＰＣ机的通讯时序如图２所示。
当时钟频率为１５ｋＨｚ时，从Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）的上升沿到数据位转变时间至少要５μｓ。数据变化到Ｃｌｏｃｋ（时钟脚）下降沿的时间至少也有５ μｓ，但不能大于２５ μｓ，这是由ＰＳ／２通讯协议的时序规定的。如果时钟频率是其它值，参数的内容应稍作调整。
上述讨论中传输的数据是指对特定键盘的编码或者对特定命令的编码。一般采用第二套扫描码集所规定的码值来编码。其中键盘码分为通码（Ｍａｋｅ）和断码（Ｂｒｅａｋ）。通码是按键接通时所发送的编码，用两位十六进制数来表示，断码通常是按键断开时所发送的编码，用四位十六进制数来表示。
３ ＰＳ／２接口的嵌入式软件编程方法
ＰＳ／２设备主要用于产生同步时钟信号和读写数据。
３．１ ＰＳ／２向ＰＣ机发送一个字节
从ＰＳ／２向ＰＣ机发送一个字节可按照下面的步骤进行：
(１)检测时钟线电平，如果时钟线为低，则延时５０μｓ；
(２)检测判断时钟信号是否为高，为高，则向下执行，为低，则转到(１)；
(３)检测数据线是否为高，如果为高则继续执行，如果为低，则放弃发送（此时ＰＣ机在向ＰＳ／２设备发送数据，所以ＰＳ／２设备要转移到接收程序处接收数据）；
(４)延时２０μｓ（如果此时正在发送起始位，则应延时４０μｓ）；
（５）输出起始位（０）到数据线上。这里要注意的是：在送出每一位后都要检测时钟线，以确保ＰＣ机没有抑制ＰＳ／２设备，如果有则中止发送；
（６）输出８个数据位到数据线上；
（７）输出校验位；
（８）输出停止位（１）；
（９）延时３０μｓ（如果在发送停止位时释放时钟信号则应延时５０μｓ）；
通过以下步骤可发送单个位：
（１）准备数据位（将需要发送的数据位放到数据线上）；
（２）延时２０μｓ；
（３）把时钟线拉低；
（４）延时４０μｓ；
（５）释放时钟线；
（６）延时２０μｓ。
３．２ ＰＳ／２设备从ＰＣ机接收一个字节
由于ＰＳ／２设备能提供串行同步时钟，因此，如果ＰＣ机发送数据，则ＰＣ机要先把时钟线和数据线置为请求发送的状态。ＰＣ机通过下拉时钟线大于１００μｓ来抑制通讯，并且通过下拉数据线发出请求发送数据的信号，然后释放时钟。当ＰＳ／２设备检测到需要接收的数据时，它会产生时钟信号并记录下面８个数据位和一个停止位。主机此时在时钟线变为低时准备数据到数据线，并在时钟上升沿锁存数据。而ＰＳ／２设备则要配合ＰＣ机才能读到准确的数据。具体连接步骤如下：
（１）等待时钟线为高电平。
（２）判断数据线是否为低，为高则错误退出，否则继续执行。
（３）读地址线上的数据内容，共８个ｂｉｔ，每读完一个位，都应检测时钟线是否被ＰＣ机拉低，如果被拉低则要中止接收。
（４）读地址线上的校验位内容，１个ｂｉｔ。
（５）读停止位。
（６）如果数据线上为０（即还是低电平），ＰＳ／２设备继续产生时钟，直到接收到１且产生出错信号为止（因为停止位是１，如果ＰＳ／２设备没有读到停止位，则表明此次传输出错）。
（７ 输出应答位。
（８） 检测奇偶校验位，如果校验失败，则产生错误信号以表明此次传输出现错误。
（９）延时４５ μｓ，以便ＰＣ机进行下一次传输。
读数据线的步骤如下：
（１）延时２０μｓ；
（２）把时钟线拉低?
（３）延时４０μｓ?
（４）释放时钟线?
（５）延时２０μｓ?
（６）读数据线。
下面的步骤可用于发出应答位；
（１）延时１５μｓ；
（２）把数据线拉低；
（３）延时５μｓ；
（４）把时钟线拉低；
（５）延时４０μｓ；
（６）释放时钟线；
（７）延时５μｓ；
（８）释放数据线。
４ 用于工控机的双键盘设计
工控机通常要接标准键盘，但是为了方便操作，常常需要外接一个专用键盘。此实例介绍了在工控ＰＣ机到ＰＳ／２总线上再接入一个自制专用键盘的应用方法。
该设计应能保证两个键盘单独工作，而且相互不能影响。因此，不能直接把专用键盘和标准键盘一起接到工控ＰＣ的ＰＳ／２口。鉴于这种情况，本设计使用模拟开关ＣＤ４０５２并通过时分复用工控ＰＣ的ＰＳ／２口，来使在同一个时刻只有一个键盘有效，从而解决上述问题。其硬件原理图如图３所示。其中Ｐ２口和Ｐ１口用于键盘扫描电路（图中未画出），Ｐ０．０为数据端，Ｐ０．１为时钟端，Ｐ０．２为模拟开关选通端。由于专用键盘不需要接收工控ＰＣ机的命令，所以软件中并不需要写这部分相应的代码。
通过软件可在专用键盘复位后把Ｐ０．２清０，以使模拟开关ＣＤ４０５２打开相应的通道。这时工控ＰＣ的标准键盘将开始工作。标准键盘可以完成工控ＰＣ刚启动时对外设检测的应答。复位后的专用键盘不停地扫描有没有按键，如果有键按下则识别按键，并且按照预先的设计进行编码，同时调用发送程序并通过ＰＳ／２口发送到工控ＰＣ。此时模拟开关关闭相应通道（将Ｐ０．２置１），专用键盘接入工控ＰＣＰＳ／２口的时钟线和数据线而工作，但标准键盘被模拟开关从ＰＳ／２的时钟线和数据线中断而不工作，这样，双键盘便可时分复用同一个工控ＰＣ机的ＰＳ／２口。相应的发送子程序如下：
＃ｄｅｆｉｎｅ ＤＡＴＡＰ００ 用Ｐ０．０做数据线
＃ｄｅｆｉｎｅ ＣＬＫＰ０１ 用Ｐ０．１做时钟线
＃ｄｅｆｉｎｅ ＩＮＨＩＢＩＴＰ０２ 用Ｐ０．２做ＣＤ４０５２的ＩＮＨ端
＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＲＰ１ 用Ｐ１口做读入口
＃ｄｅｆｉｎｅ ＰＯＲＴＷＰ２ 用Ｐ２口做写出口 可以实现６４个自定义键
ｖｏｉｄ ｓｅｎｄ（ｕｃｈａｒｘ）／＊＊＊ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｏｒｓｅｎｄ ａ ｃｈａｒ ｄａ-ｔａ＊＊＊／
{
ｕｃｈａｒ ｉ,ｔｅｍｐ,ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ;
ｂｉｔ ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ＝１;
ＩＮＨＩＢＩＴ＝１;／／ｄｉｓａｂｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋｅｙｂｏａｒｄ
ｄｅｌａｙ_ ｍｓ(３);
ｔｅｍｐ＝ｘ;
ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜８;ｉ＋＋)／／ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ １ ｉｎ ｔｈｉｓ ｕｃｈａｒ ｘ ｉｓ ｏｄｄ ｏｒ ｎｏｔ
{
ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ０１;
ｉｆ(ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝＝０ｘ０１)
{
ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ＝!ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ;
}
ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＞＞１;
}
ＣＬＫ＝１;／／ｓｅｎｄ １ ｔｏ Ｐ１ ｔｈｅｎ ｒｅａｄ Ｐ１
ｗｈｉｌｅ (!ＣＬＫ) ／／ｉｆＣＬＫ ｉｓ ｌｏｗ ｗａｉｔ
{
;
}
ＣＬＫ＝１;ＤＡＴＡ＝１;／／ｓｅｎｄ １ ｔｏ Ｐ１ ｔｈｅｎ ｒｅａｄ Ｐ１
ｉｆ(ＣＬＫ＝＝１)
{
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(３０);／／
}
ｉｆ(ＣＬＫ＝＝１＆＆ＤＡＴＡ＝＝１)／／ｓｅｎｄ ｄａｔａ
{
ＤＡＴＡ＝０;／／ｓｔａｒｔ ｂｉｔ ０
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(１０);
ＣＬＫ＝０;
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);／／
ｔｅｍｐ＝ｘ;
ｆｏｒ(ｉ＝０;ｉ＜８;ｉ＋＋)／／ｓｅｎｄ ８ ｂｉｔｓ ＬＳＢｆｉｒｓｔ
{
ＣＬＫ＝１;
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);
ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＆０ｘ０１;
ｉｆ(ｃｈａｒ_ｔｅｍｐ＝＝０ｘ０１)
{
ＤＡＴＡ＝１;
}
ｅｌｓｅ
{
ＤＡＴＡ＝０;
}
／／ＤＡＴＡ＝(ｂｉｔ)(ｔｅｍｐ＆０ｘ０１);
／／ＬＳＢ
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(１０);
ＣＬＫ＝０;
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);
ｔｅｍｐ＝ｔｅｍｐ＞＞１;
}
ＣＬＫ＝１;／／ｓｅｎｄ ｃｈｅｃｋ ｂｉｔ
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);?
ＤＡＴＡ＝ｆｌａｇ_ｃｈｅｃｋ;
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(１０);?
ＣＬＫ＝０;
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５)
ＣＬＫ＝１;／／ｓｅｎｄ ｓｔｏｐ ｂｉｔ
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);?
ＤＡＴＡ＝１;
ｄｅｌａｙ ｕｓ?１０??
ＣＬＫ＝０?
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(５);?
ＣＬＫ＝１;
ｄｅｌａｙ_ｕｓ(３０);? ?
ＣＬＫ＝１;ＤＡＴＡ＝１;／／ｓｅｎｄ １ ｔｏ Ｐ１ ｔｈｅｎ ｒｅａｄ Ｐ１
ｉｆ(ＣＬＫ＝＝１＆＆ＤＡＴＡ＝＝０)
{
ｒｅｔｕｒｎ; ／／ｐｃ ｉｓ ｓｅｎｄｉｎｇ ｄａｔａ ｔｏ ｍｃｕ, ｇｏ ｔｏ
ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ
}
ＩＮＨＩＢＩＴ＝０; ／／ｅｎａｂｌｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｋｅｙｂｏａｒｄ
}
５ 结论
ＰＳ／２接口协议是现在大多数键盘、鼠标与ＰＣ机通讯的标准协议。其中鼠标对ＰＣ机的通讯更为简单，只是传输数据的内容不一样而已。充分理解ＰＳ／２接口协议，可以帮助设计者自主开发一些工控机上的专用键盘等外设，并能够按照用户的要求开发出专用的多功能键盘。该工控机的双键盘设计目前已被某工控公司所采纳，并已作为组件加入到产品当中
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