FPGA模拟PS/2键盘

目录

• FPGA模拟PS/2键盘
• • 1. PS/2协议简介
  • • 1.1 首先，重要的话说三遍
    • 1.2 参考资料
    • 1.3 “协议栈”
    • • 1.3.1 物理层
      • 1.3.2 数据链路层
      • 1.3.3 传输层
      • 1.3.4 会话层
      • 1.3.5 应用层
  • 2. Arduino开源库移植测试
  • • 2.1 GPIO配置——物理层
    • 2.2 观察总线波形——数据链路层
    • 2.3 记录初始化过程——会话层
  • 3. 时序逻辑基础——Verilog描述数据链路层
  • • 3.1 发送电路
    • • 3.1.1 时序图
      • 3.1.2 原理图
      • 3.1.3 验证
    • 3.2 接收电路
    • • 3.2.1 时序图
      • 3.2.2 原理图
      • 3.2.3 状态图
      • 3.2.4 验证
    • 3.3 代码解读
    • • 3.3.1 位计数器
      • 3.3.2 数据
      • 3.3.3 ready / finish
      • 3.3.4 failed / abort
  • 4. 封装与耦合——传输层
  • • 4.1 原理图
    • 4.2 对仗工整，强行押韵
    • 4.3 实际波形
    • 4.4 为什么发送电路不会干扰接收电路
  • 5. 翻译伪代码——Spinal描述会话层
  • • 5.1 是什么
    • 5.2 为什么
    • • 5.2.1 先说结论
      • 5.2.2 再说理由
    • 5.3 怎样做
  • 6. TODO：应用层

FPGA模拟PS/2键盘

• ———— VerilogHDL + SpinalHDL

众所周知，PS/2是一种很常见的键盘鼠标接口，很多开发板上都有，不论是单片机还是FPGA，基本例程都少不了PS/2控制器。但是，绝大部分代码都是作为PS/2主机来读取键盘鼠标发送的数据，很少有作为键盘鼠标设备来跟电脑通信的。Arduino倒是有几个PS/2键盘的库，只是难以移植，而用FPGA实现PS/2设备的方案，一个字都搜不到！因此作本文以记录笔者实现FPGA模拟PS/2键盘的全过程，希望能对大家有所帮助。

1. PS/2协议简介

1.1 首先，重要的话说三遍

• PS/2接口不支持热插拔！！！

• PS/2接口不支持热插拔！！！

• PS/2接口不支持热插拔！！！

1.2 参考资料

《PS2技术参考》（Adam Chapweske著）是教科书级的参考资料，一定要潜心拜读。文章较长，一次性读完肯定记不住，最好先大致浏览，待遇到问题时反复查阅。

• 中英对照
• 英文原版（须翻墙）

1.3 “协议栈”

为便于理解，在此冒用现代网络技术的概念。

1.3.1 物理层

通常电脑上是母的，键盘和鼠标是公的，键盘是紫色，鼠标是绿色。时钟线和数据线都是5V，兼容3.3V CMOS。时钟信号总是由设备产生，时钟周期一般取40us。

1.3.2 数据链路层

与常用的串口类似，不管是上行还是下行，每帧都包含以下内容：

1个起始位	总为0
8个数据位（payload）	低位（LSB）在前
1个校验位	奇校验
1个停止位	总为1

此外，在主机到设备的传输中，最后还有一个应答位。
记住这些，很重要。

1.3.3 传输层

这一层将低层与高层解耦合，将发送与接收的细节封装起来，为应用层打基础。
需要注意的问题有帧之间的延时、发送与接收间的干扰、与高层的总线时序等。

1.3.4 会话层

键盘与鼠标在本层分道扬镳，本文仅讨论键盘，不涉及鼠标。
要让电脑（host）识别到你写的键盘（device）是个艰巨的任务。电脑会在开机时发送一连串指令，每条指令都要得到正确的响应，稍有不慎就会被当做无效设备而抑制通信，严重时甚至使电脑无法正常启动！
因为会话是在开机时建立的，所以开机后再插入键盘是无效的，正所谓 “不支持热插拔”。

1.3.5 应用层

成功被主机识别后，就可以愉快地发送扫描码了。