通过PC机标准键盘接口的数据传输

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IBM AT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。 

2.1 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。

 

现在PC机广泛采用的PS/2接口为mini-DIN6引脚的连接器。其引脚的连接器如图2。其中时钟线接P3.2，数据线接P3.1。　

插头        插座

1 数据线 （DATA）；3 电源 地；4 电源+5V；5 时钟；2、6 未实现，保留。

图2　PS/2连接器

PS/2设备有主从之分，主设备（计算机） 采用插座，从设备（键盘）采用插头。PS/2接口的时钟与数据线都是集电极开路结构的，必需外接上拉电阻（设置在主设备中）。主从设备之间数据通 信采用双向同步串行方式传输，时钟信号由从设备产生。

       PS/2键盘履行一种双向同步串行协议。换句话说，每次数据线上发送一位数据都是在时钟线上发一个脉冲就被 读入。键盘可以发送数据到主机，主机也可以发送数据到设备，但主机总是在总线上有优先权，在任何时候通过把时钟信号拉低抑制来自于 键盘的通讯。

3、3.通信协议

       要使专用键盘能与计算机进行联接，首先要对标准键盘的编码规则、通信协议和接口进行分析，以便进行程 序设计。

3.1　键盘编码

键盘的处理器的主要 工作是扫描或监视按键矩阵，发现有按键被按下、释放或按住，键盘将发送“扫描码”的信息包到计算机。扫描码有两种不同的类型：“通码”和“断码”。当一个 按键被按下或按住就发送通码；当一个按键被释放就发送断码。每个按键被分配了唯一的通码和断码，这样主机通过查找唯一的扫描码就可以测定是哪个按键被按下 或释放。每个键盘一整套的通断码组成了“扫描码集”。常见的有三套标准的扫描码集，分别是第一套、第二套和第三套。因为第一套扫描码无法双向通信，第三套 现在计算机很少使用，所以现代的键盘默认使用第二套扫描码。

3.2　键盘扫描码的发送

根据键盘按键扫描 码的不同，在此可将按键分为如下三类，但本次设计的专用键盘只用到前二类，其通码和断码格式分别如下：

第一类按键，通码为1字 节，断码为0xF0+通码形式。

       第二类按键，通码为2字节0xE0+0xXX形式，断码为0xE0+0xF0+0xXX形式。

3.3　从设备到主设备的通信（键盘发送数据到主机）

由于数据和时钟线都 是集电极开路结构，正常情况下保持高电平。当键盘要发送数据时，首先检查时钟线，以确认它是否是高电平。如果不是，说明 是主机抑制了通讯，设备必须缓冲任何要发送的数据直到重新获得总线的控制权。如果时钟线是高电平设备就可以开始传送数据。传输的每一帧由11位组成，发送时序及每一位 的含义图3所示^[2]。

 

 

 

图4　主设备到从设备的通信

与从设备到主设备通信相比，其每帧数据多了一个ACK位。这是从设备接收完主机一帧数据后，由从设备通过接低数据 线产生，应答位ACK总是为0。主设备到从设备通信过程中，主设备总是在时钟为低电平时改变数据线的状态，从设备在时钟的上升沿读入数据线状态。

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。