笔记本电脑的键盘学习教程

笔记本电脑的内置键盘是不可缺少的输入设备，它经历了二十几年的迭代才形成如今的设计标准（Key Layout、Connector、Protocol、ScanCode...）。

在键盘的发展历程中，出现了很多标准，有一些标准至今仍被使用。有兴趣可以查阅 键盘的发展。接下来就详细了解下笔记本电脑的键盘。

01—Scan Code

电脑键盘一般有 80-120 个按键，因此采用矩阵设计可以减少GPIO 的使用。

如下示意图，MCU 控制 “A/B/C/D” 都保持低电平，然后挨个输出高电平，每次输出高电平的同时采集“1/2/3/4” 电平。此过程称之为 “键盘扫描”。

如果 C-3 按键按下，当 MCU 在 “C” 列输出高电平时，在 “3” 行可检测到高电平。如此 MCU 即可判断出哪个按键被按下了。

MCU 判断出哪个按键被按下，需要以数据的形式传递给 Host 使用。因此需要给每一个按键安排一个编码，这个编码就是 ScanCode，即 “扫描码”。

这个 MCU 负责扫描矩阵，称之为 KSC（Keyboard Scan Controller）。使用最为广泛的型号是 Intel 8048。

键盘的发展历程中，一共出现过 3 套 ScanCode。

Scan Code Set-1

1983年随 IBM Personal Computer XT（XT：eXtended Technology，Type：5160） 一起发布的 XT Keyboard 就使用的是此套扫描码。当时配套的操作系统可以直接识别此套扫描码。如今的 Windows、Linux 系统都在沿用。

ScanCode Set-2

1984年随 IBM Personal Computer AT（AT：Advanced Technology，Type：5170）一起发布的 AT Keyboard 就是使用的是此套扫描码。但是操作系统并没有兼容识别此套扫描码，而是在主板上增加了一个 MCU 把 Set-2 翻译成 Set-1，然后再发送给系统。当然也有操作系统也可以识别 Set-2，但并不是主流。

新增的 MCU 称之为 KBC（Keyboard Controller），使用最为广泛的型号是 Intel 8042，因此 i8042 也用来代指 Keyboard Controller。

ScanCode Set-3

1986年，IBM 重新设计了键盘布局，在美国市场上推出了 MF2 Keyboard，有 101个按键。

MF2 Keyboard 设计上增加了逻辑更为合理的 ScanCode Set-3，由 i8042 翻译成 ScanCode Set-1 传递给 CPU。此套扫描码并未流行。

最后流行的 PS/2 键盘，采用的仍旧是 ScanCode Set-2。

02—Key Number

在 MF2 键盘出现后，键盘 Layout 基本即保持一致了，但是按键的丝印却是千变万化，不同丝印的键盘是为了满足不同语种的需求。

键盘设计中，一个按键会规定一个 ScanCode。系统端根据接收的 ScanCode 就知道是哪个按键触发了。同样是按键 “Q” 触发，系统端最终识别的字符可不一定是字符 “Q”，这是要根据系统语言判断的。

键盘语种不同，丝印就不同。因此每个按键还规定了一个 Key Number，以便区分按键。

一般键盘制造商生产的矩阵键盘，会配套一份设计图纸，会指明按键在矩阵中的位置，此时使用的就是 KeyNumber。

KSC 扫描这个矩阵，根据扫描结果，识别出触发按键在矩阵的位置，

先找到 KeyNumber，从而查找出 ScanCode。

03—Keyboard Protocol

XT Keyboard 和 AT Keyboard 的设计中，同 PCH 通讯的规范已经不再使用，因此此处只针对 PS/2 Keyboard 做描述。

PS/2 Keyboard 设计中，采用 KSC （Keyboard Scan Controller） 扫描键盘矩阵，按键触发后会编码出 ScanCode Set-2 发送。其中 KSC 是一个位于键盘内部的 MCU，以 Intel 8048 最为典型。KSC 和 KBC 之间通过 PS/2 协议通讯，完成KeyCode、Command 的传递。

PS/2 键盘结构

在 x86 CPU 系统中，有一个独立的 IO 寻址空间，大小 64K。随着计算机的发展，默认 60/64 两个 IO 地址被用作 PCH 和 KBC（i8042） 交换数据。

有以上两个通讯的支持， PS/2 Keyboard 外接在电脑 PS/2 接口上后就可以工作了。

设计框图如下

KBC 寄存器

i8042 作为一个 KBC 使用 IO 60、64 和 PCH 传递数据。

IO 60/64 分别定义为数据寄存器和状态寄存器。

针对 Status Register，在 Intel 8042 DataSheet 中定义如下。

BIT0：指示 KBC 是否在 Output Data Register 写入了数据。

BIT1：指示 CPU 是否在 Input Data Register 写入了数据。

BIT2：指示 CPU 是否读取了 Output Register。

BIT3：指示 CPU 写了 60H 还是 64H。

BIT4-7：用户自定义。

不同厂家在后续的 KBC 设计中，增加了一些自定义状态。

如下图所示，KBC 中增加了针对 PS/2 通讯状态的一些定义。

如上图，Host 端的 Keyboard Driver 利用 IO 60/64 和 KBC通讯。

KBC 内部有两个数据寄存器，Input and Output Data Register。

一个状态寄存器，Status Register。

KB Driver 写 60H 或者 64H，都对应 KBC 内部 Input Register，KBC 内部的 Status Register BIT3 会做出区分。

KB Driver 写 60H，KBC 认为是 Data。

KB Driver 写 64H，KBC 认为是自己的 Command。

KB Driver 读 60H，KBC 返回 Output Register 内容，主要是 ScanCode。

KB Driver 读 64H，KBC 返回 Status Register 内容，指示 Keyboard 状态。

04—Keyboard Command

KBC 和 KSC 作为 MCU，分别设计了一组命令。Keyboard Driver 可以发送这些命令，从而控制 KBC 和 KSC 的一些行为。

05—EC Keyboard

在上世纪的个人电脑设计中，PS/2 键盘属于一个外接设备。PS/2 键盘通过 PS/2 接口和主板上 KBC 通讯。KBC 在 PCH 和键盘中间作为一个 SuperIO 设备，管理 PS/2 键盘。

随着个人电脑的不断发展，逐渐演变出便携式电脑，即笔记本电脑。键盘作为笔记本电脑的标配输入设备，也遵守了 PS/2 键盘系统的大部分标准，并且沿用至今。

在如今的笔记本电脑设计中，不再有独立的 KSC（i8048，键盘扫描器）和 KBC（i8042，键盘控制器），因此也不再有 PS/2 接口和 PS/2 协议存在。

KSC 和 KBC 的功能全部集成在一个专用 MCU 中，即集成在 EC 中。

EC 作为一个专用 MCU，设计有 8*18 的键盘扫描模块，实现矩阵键盘的扫描。EC 也设计有 LPC 总线，和 PCH 实现 IO 6064 通讯。因此在 EC 固件中即可实现 KBC 功能。

EC 这颗专用 MCU 集成了原先 KBC 的功能，因此 EC 也会叫 KBC。

如今笔记本电脑中，EC 键盘系统设计框图如下：

06—Keyboard Init

EC 键盘的实际工作原理和 PS/2 键盘基本一致，其中的 KBC 需要被 Host 端 Driver 初始化后，才能正常工作。

KBC 由 EC 固件实现，因此上述 KBC、KSC 相关的指令必须由 EC 固件实现，并且返回正确的值，否则 OS 端 KB Driver 初始化无法完成，会导致Windows 系统下设备管理器中 PS/2 设备出现黄色感叹号，键盘无法使用。

UEFI 环境下，KBC 初始化。

EC 固件实现了 KBC 逻辑后，添加必要的 log后，当 UEFI 环境启动后会对 KBC 初始化。EC 端 log 如下图：

上图是在 EC 中记录了进入 UEFI Shell 环境时的键盘初始化序列。

	通讯	释义
1	Host->EC, i8042 cmd[AD]	8042 command Disable Keyboard
2	Host->EC, i8042 cmd[A7]	8042 command Disable Mouse
3	Host->EC, i8042 cmd[AA]	8042 command Self Test
4	EC->Host, data=[55]	EC Response test results
5	Host->EC, i8042 cmd[60]	8042 command Write controller config byte
6	Host->EC, i8042 data[67]	controller config byte is 0x67
7	Host->EC, i8042 data[F4]	Send to IO_60 without command
8	Host->EC, i8048 cmd[F4]	8048 command Enable matrix scan
9	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA
10	Host->EC, i8042 cmd[AB]	8042 command Keyboard interface test
11	EC->Host, data=[00]	EC Response test results，must 00
12	Host->EC, i8042 data[FF]	Send to IO_60 without command
13	Host->EC, i8048 cmd[FF]	8048 command Reset and start self-test
14	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA
15	EC->Host, data=[AA]	EC Response test results
17	Host->EC, i8042 data[F0]	Send to IO_60 without command
18	Host->EC, i8048 cmd[F0]	8048 command Get/set current scan code set
19	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA
20	Host->EC, i8042 data[02]	Send to IO_60 without command
21	Host->EC, i8048 cmd[02]	8048 sub-command select scancode set-2
22	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA
23	Host->EC, i8042 data[F4]	Send to IO_60 without command
24	Host->EC, i8048 cmd[F4]	8048 command Enable matrix scan
25	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA
26	Host->EC, i8042 data[ED]	Send to IO_60 without command
27	Host->EC, i8048 cmd[ED]	8048 command control LED status
28	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA
29	Host->EC, i8042 data[00]	Send to IO_60 without command
30	Host->EC, i8048 cmd[00]	8048 set LED off
31	EC->Host, data=[FA]	EC send “ACK”，must 0xFA

上述初始化过程在如下文件中可以找到：

UDK2018/IntelFrameworkModulePkg/Bus/Isa/Ps2KeyboardDxe/Ps2KbdCtrller.c

OS 环境下，KBC 初始化。

Windows 或者 Linux 系统在加载过程中，BIOS 声明了 PS/2 键盘设备后，OS 内置的 PS/2 Keyboard Driver 就会加载，完成 EC 内 KBC 和 KSC 的初始化，以及配置。当然 Windows Inbox PS/2 Driver 看不到源码，感兴趣的话可以看看 Linux PS/2 Driver 的源码。

需要注意的是，UEFI 和 OS 下 KBC 初始化流程基本一致。

差异点是，UEFI 环境下 CPU 不响应 SERIRQ 中的 IRQ-1，靠轮询的方式工作。OS下 CPU 需要响应 IRQ-1，当有键盘中断触发后，Driver 才会被回调，处理 IO 60/64 的数据。