采用EP2C5T144C8 FPGA实现PS/2接口的设计方法

引言

当前嵌入式系统技术已得到了广泛应用，但传统嵌入式系统的人机接口多采用小键盘操作的文本菜单方式，用户操作较为不便。本设计利用FPGA实现对PS/2接口鼠标的控制，是在以VGA作为输出设备的单片机系统上初步实现图形化用户界面的方案，它成本低、效果好，并且有很强的实用性。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20世纪80年代中期出现的高密度、可编程逻辑器件，FPGA及其软件系统是开发数字电路的最新技术，它利用EDA技术，以电路原理图、硬件描述语言及状态机等形式输入设计逻辑，提供功能模拟、时序仿真等模拟手段，在功能模拟和时序仿真度满足要求后，经过一系列变换，将输入逻辑转换成FPGA器件的编程文件，以实现专用集成电路。本设计选用Altera公司推出的CyclONe II系列的EP2C5T144C8 FPGA来设计PS/2接口，体积减小，可靠性提高。

PS/2接口和协议

接口的物理特性

PS/2接口用于许多现代的鼠标和键盘，由IBM最初开发和使用。物理上的PS/2接口有两种类型的连接 器 ：5脚的DIN和６脚的MINI-DIN。图1就是两种连接器的引脚定义。使用中，主机提供+5V电源给鼠标，鼠标的地连接到主机电源地上。

接口协议原理

PS/2鼠标接口采用一种双向同步串行协议，即每在时钟线上发一个脉冲，就在数据线上发送一位数据。在相互传输中，主机拥有总线控制权，即它可以在任何时候抑制鼠标的发送，方法是把时钟线一直拉低，鼠标就不能产生时钟信号并发送数据。在两个方向的传输中，时钟信号都由鼠标产生，主机不产生通信时钟信号。

如果主机要发送数据，就必须控制鼠标产生时钟信号，方法如下：主机首先下拉时钟线至少100μS抑制通信，然后再下拉数据线，最后释放时钟线。鼠标检测到这个时序状态后，会在10mS内产生时钟信号。如图3中（Ａ）时序段。主机和鼠标之间，传输数据帧的时序如图2、图3所示。

PS/2鼠标的工作模式和协议数据包格式

PS/2鼠标的四种工作模式

PS/2鼠标的四种工作模式分别是：Reset模式，当鼠标上电或主机发复位命令（0xFF）给它时，进入这种模式；STream模式，鼠标的默认模式，当鼠标上电或复位完成后，自动进入此模式，鼠标基本上以此模式工作；Remote模式，只有在主机发送了模式设置命令（0xF0）后，鼠标才进入这种模式；Wrap模式，这种模式只用于测试鼠标与主机连接是否正确。

数据包结构

PS/2鼠标在工作过程中，会及时把它的状态数据发送给主机。发送的数据包格式如表１所示。

Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分别表示左、右、中键的状态，状态值０表示释放，１表示按下；Byte2和Byte3分别表示Ｘ轴和Ｙ轴方向的移动计量值，是二进制补码值；Byte4的低四位表示滚轮的移动计量值，也是二进制补码值，高四位作为扩展符号位。这种数据包由带滚轮的三键三维鼠标产生，若是不带滚轮的三键鼠标，产生的数据包没有Byte4，其余的相同。

VGA信号时序

图4所示是计算机VGA（640×480，60Hz）图像格式的信号时序图，其点时钟DCLK为25．175MHz，场频为59．94Hz。图中，Vsync为场同步信号，场周期Tvsync为16．683mS，每场有525行，其中480行为有效显示行，45行为场消隐期。场同步信号Vs每场有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度twv为63μS（2行）。场 消隐期包括场同步时间twv、场消隐前肩tHV（13行）和场消隐后肩tVH（30行），共45行。行周期THSYNC为31．78μS，每显示行包 括800点，其中640点为有效显示，160点为行消隐期（非显示 区）。行同步信号Hs每行有一个脉冲，该脉冲的低电平宽度tWH为3．81μS（即96个DCLK）；行消隐期包括行同步时间tWH，行消隐前肩tHC（19个DCLK）和行消隐后肩tCH（45个DCLK），共160个点时钟。复合消隐信号是行消隐信号和场消隐信号的逻辑与，在有效显示期复合消隐信号为高电平，在非显示区域它是低电平。

设计实现

实现功能

1、 用FPGA实现PS/2鼠标接口。

2、鼠标左键按下时十字形鼠标图象的中间方块改变颜色，右键按下时箭头改变颜色。

3、 Reset按键：总复位。

设计原理

主机复位后，首先向鼠标发送初始化命令（0xf4）。当鼠标收到命令字后会给出一个应答字节（0xfa），主机根据应答字节来判断鼠标是否正确应答。如果应答正确则接收鼠标数据包，然后从接收到的数据包中获得鼠标位置及状态数据，并输出给显示模块。显示模块在CRT上显示出当前鼠标的状态和位置，否则，停止处理。如图5。

如图6，当状态机m2_state复位时，即进入m2_reset状态，并在 一个clk周期后进入m2_hold_clk_l状态，当ps2_clk_hi_z（时钟线）被拉低并保持400μS后进入m2_data_low_1状态，此时向鼠标 发送起始 位和d［0］、d［1］（d［0］=d［1］=0）。完成后进入m2_data_high_1状态， 发送d［2］（d［2］=1）并进入m2_data_low_2状态，此时向鼠标发送d［3］位（d［3］=0）， 完成发送进入m2_data_high_2状态，向鼠标发送d［4］、d［5］、d［6］、d［7］（d［4］=d［5］=d［6］=d［7］=1），完成发送进入m2_data_low_3状 态，向鼠标发送奇偶校验位，然后进入m2_data_high_3状态，将数据线拉高，等待鼠标返回应答信号。若PS/2时钟信号下降沿来临时，数据线仍未变为高电平，则进入m2_error_no_ack状态，此时握手失败，系统将保持m2_error_no_ack状态直到下一次复位，否则进入m2_await_response状态接收应答字，接收完成进入m2_verify数据校验，然后进入m2_use状态，锁存输出数据，并进入m2_wait状态，等待接收数据。当检测到时钟下降沿后进入m2_gather状态，接收鼠标数据包，接收完成进入m2_verify状态，此时便形成了数据接收循环。

PS/2程序源码

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

--变量、信号定义（略）

begin

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

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

--检测ps2clk上升沿和下降沿（略）

m2statech： process （reset， clk） ------------------m2 状态

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 状态传输逻辑

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 =》 -- 复位后向鼠标发送命令字

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;

-- 用状态机的9个状态实现命令字传输，使鼠标进入“streaming”模式，并等待鼠标正确应答 ［page］

when m2_hold_clk_l =》

ps2_clk_hi_z 《= ’0‘; -- 启动看门狗！

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‘; -- 数据位 开始位， 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‘; -- 数据位 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‘; -- 数据位 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‘; -- 数据位 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‘; -- 奇偶校验位

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‘; -- 允许鼠标拉成低电平（ACK脉冲）

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;

-- 为了鼠标正确进入“streaming”模式，状态极必须等待足够长的时间，确保鼠标正确应答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 状态结束

-- 位计数器 （略）

-- 数据移位寄存器（略）

-- 看门狗时间计数器（略）

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

packet_good 《= ’1‘; -- 接收数据包有效标志

outdata： process （reset， clk） -- 输出数据

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;

结束语

该设计采用了清华大学THCII-1创新SoPC实验套件进行综合、仿真和下载，测试得到了满意的效果，完整地实现了对PS/2和VGA的时序驱动。

该设计可以被应用到各种需要鼠标操作、以VGA作为显示的嵌入式系统中，从而大大提高人机交互能力，降低了开发成本，提高了开发效率，使系统的稳定性也得到了可靠的保障。

责任编辑：gt