（微电子学与固体电子学专业论文）基于8bitmcu的两种接口电路设计.pdf

南开大学学位论文版权使用授拶删 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：琵唏 2 0 d g 年箩月t t 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在乡年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 高菇违 学位论文作者签名： 孑么琦 解密时间： 汐i 年 岁月 f7 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：弓么畸 冽孑年5 月f 7 日 摘要 摘要 随着电子技术的不断发展，计算机外部设备也在不断发展。如何将这些产 品与电子计算机相连接，进行快速准确的数据交换，成为设计计算机外设接口 需要考虑的问题。 u s b 低速产品和p s 2 产品可以采用纯硬件实现的方法，然而通过软件和硬件 相结合的方法则具有更大的灵活性。即将p s 2 接口和u s b i 1 接口集成于8 b i tm c u 核作为一个通用i p 核，通过软件来实现u s b p s 2 设备的功能。 本论文首先详细分析了p s 2 和u s b i 1 接口协议，使用v e r il o g 硬件描述语 言设计了p s 2 接口和u s b i 1 接口电路，并实现了这两种接口电路与8 b i tm c u 总 线进行通信的电路。 然后，文中以u s b p s 2 鼠标为例，使用c 语言完成了在8 b i t m c u 中内嵌固件程 序的设计，设计了p s 2 和u s b 鼠标的主机方模型，通过模拟主机方与设备方的 通信过程，很好的验证了两种接口以及整个系统的功能，实现u s b 低速设备或 p s 2 设备。 最后，对整个电路进行了仿真和综合。仿真阶段，使用s y n o p s y s 公司的 n c - v e r i l o g 仿真工具对各个子模块进行功能仿真，并进行了整个电路的功能仿 真，仿真结果达到了要求。综合阶段，使用s y n o p s y s 公司的综合工具d e s i g n c o m p i l e r 对电路进行了逻辑综合，综合采用了中芯国际0 3 5 u m c m o s 工艺库，采 用自顶向下的综合方法，综合后，从时序报告中可以看出设计满足时序要求， 整个系统为1 7 8 2 4 门。 关键词：p s 2 接口通用串行总线低速控制器m c u a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n tt h e e l e c t r o n i ct e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gr a p i d l y , w h i c hb o o s t st h e u p d a t i n go fv a r i o u sc o m p u t e rp e r i p h e r a ld e v i c e s t h e r e f o r e ，i ti s ac o n s i d e r a b l e p r o b l e mt h a tc o n n e c t i n gt h e s ep r o d u c t st op ca n dl e t t i n gt h e mt r a n s m i td a t af a s ta n d e x a c t l y 1 1 1 eu s bl o ws p e e dp r o d u c ta n dp s 2p r o d u c tc a l lb er e a l i z e di nt r a d i t i o n a lp u r e h a r d w a r em e t h o d ，a l t h o u g hi ti sm o r ea g i l i t yt or e a l i z ei tb ye m b e d d i n gf i r m w a r ei n m c ut oc o m p l e t et h ec o n t r o lf u n c t i o na n di n t e g r a t e du s b1 1a n dp s 2i n t e r f a c eo n t h em c ut ot r a n s m i td a t a t 1 ：1 i st h e s i sf i r s te l a b o r a t e st h ep r o t o c o lo fp s 2i n t e r f a c ea n du s bi n t e r f a c e ，t h e n d e s i g n st h et w oi n t e r f a c e sb yv e r i l o gh d la n dr e a l i z e st h ec i r c u i tt h a tt h et w o i n t e r f a c e sc o n n e c tt o8b i tm c u s e c o n d ，t h et h e s i st a k e su s b p s 2m o u s ea sa ne x a m p l e ，d e s i g n saf i r m w a r e e m b e d d e di n t o8 b i tm c u b ycl a n g r a g e a f t e rt h a t ，i td e s i g n st h eh o s tm o d e lo fp s 2 m o u s ea n du s bm o u s e ，b yw h i c hv e r i f i e st h ef u n c t i o no ft h et w oi n t e r f a c e sa n dt h e w h o l es y s t e m f i n a l l y , i ts i m u l a t e sa n ds y n t h e s i z e st h ew h o l ec i r c u i t i nt h es i m u l a t i o np h a s e ，i t s i m u l a t e se a c hs u bm o d u l ea n dt h ew h o l em o d u l eb yn c _ v e r i l o go fs y n o p s y sc o l t d t h er e s u l to fs i m u l a t i o nm e e t st h er e q u i r e m e n t i nt h es y n t h e s i sp h a s e ，i t s y n t h e s i z e st h ew h o l ec i r c u i tb yd e s i g nc o m p i l e ro fs y n o p s y sc o l t d a n do 。35 u r n c m o sp r o c e s sl i b r a r yo fs m i c ，t h er e s u l to fw h i c hi sa l s om e e tt h e t i m i n g r e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：p s 2i n t e r f a c e u s bl o ws p e e dc o n t r o l l e rm c u i i 目录 目录 第一章引言1 第一节p s 2 接口与u s b 接口的简介1 1 1 1 计算机外设接口的发展1 1 1 2p s 2 接口简介2 1 1 3u s b 接口简介2 第二节p s 2 和u s b 设备的结构及本论文研究的工作3 第三节本论文的组织结构5 第二章接口协议介绍6 第一节p s 2 接口协议6 2 1 1p s 2 接口数据通讯协议引6 2 1 2p s 2 设备通信协议h 1 9 第二节u s b i 1 接口协议瞄1 1 4 2 2 1u s b 协议总揽1 4 2 2 2u s b 通信模型1 5 2 2 3u s b 接口层设计1 6 2 2 4u s b 设备层1 7 2 2 5u s b 功能层2 2 第三章p s 2 接口设计2 4 第一节顶层模块设计2 5 第二节子模块的设计2 7 3 2 1c l k d i v 模块的设计2 7 3 2 2s t a t e c h e c k 模块的设计2 7 3 2 3s e n d b y t e 模块的设计3 0 3 2 4r e c b y t e 模块的设计3 2 3 2 5p s 2 _ m c u _ b i 模块设计3 3 第四章u s b l 1 接口设计3 8 第一节顶层模块设计3 8 i i i 目录 第二节u s b 物理层设计3 9 4 2 1u s b _ p h y 模块3 9 4 2 2 子模块介绍4 l 第三节u s l 3 协议层设计4 4 4 3 1u s b _ p l 模块4 4 4 3 2 子模块介绍4 6 第四节u s b 应用层设计5 2 第五章固件的设计与接口电路的验证、综合5 9 第一节固件的设计1 5 1 n 6 3 17 1 5 9 5 1 1 固件的功能5 9 5 1 2 固件的流程图说明6 0 5 1 3 固件的函数说明6 4 第二节接口电路的验证6 7 5 2 1 系统p s 2 接口的仿真验证6 7 5 2 2 系统u s b 接1 ：3 的仿真验证n 8 m 0 1 7 0 第三节接口电路的综合7 2 5 3 1 综合流程简介7 2 5 3 2 综合结果7 4 第六章结论7 6 参考文献7 7 致谢7 8 个人简历7 9 i v 第一章引言 第一章引言 第一节p s 2 接口与u s b 接口的简介 1 1 1 计算机外设接口的发展 随着电子技术的不断发展，各种计算机外部设备产品也在不断发展。如何将 这些产品与电子计算机相连接，进行快速准确的数据传输，便成了设计计算机 外设接口需要考虑的问题。 通常，新接口并不会经常出现，因为人们已经习惯于旧有的接口，对于新接 口往往不会立即全盘接受。如果新接口是建立在旧接口的基础上，则不仅可节 约开发时间和成本，而且用户比较容易接受。 在i b mp c 最早的设计中，就是使用已经存在了2 0 年的并行接口( c e n t r o n i c s p a r a l l e lp o r t ) 及r s - - 2 3 2 串行接口( s e r i a lp o r t ) 。这不仅加速了原始p c 设计的 流程，并且允许将已经在市场上出现的打印机和调制解调器立即用于p c 上。 不过随着计算机外部设备的发展，并行接口和r s - - 2 3 2 串行接口己逐步成为 了通信的瓶颈，并且越来越严重，为了解决旧有接口中存在的问题，i b m 开发 出了p s 2 接口，主要用于鼠标、键盘等计算机外设类产品。 过去，一个新接口的开发通常都是单一公司的努力。例如h p ( h e w l e t t p a c k a r d ) 开发的h p i b ( h pi n t e r f a c eb u s ，h p 接口总线) ，用来连接实验室的仪 器。现在打印机所使用的并行接口，则由c e n t r o n i c s 数据计算机公司( c e n t r o n i c s d a t ac o m p u t e rc o r p o r a t i o n ) 开发，因此仍然称作c c n t r o n i c s 接口。 现在开发的接口，则通常使用一群有共同利益的公司或组织联合开发的。例 如i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，电气和电子工程师学会) 组织和t i a ( t e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，电信工业协会) 组织就开 发并公布了许多规范a 许多旧有制造业标准，都已经被这些组织所指定的新标准所取代。例如 c c n t r o n i c s 接口被i e e e 一1 2 8 4 标准取代，而h p i b 则是i e e e - - 4 8 8 的基础。 这些组织除了更改旧有规范外，也指定新的规范。u s b 就是由c o m p a q ， h e w l e t t - - p a c k a r d ，i n t e l ，l u c e n t ，m i c r o s o f t ，n e c 及p h i l i p s 这7 家公司共同制 定的标准。 第一章引言 1 1 2p s 2 接口简介 p s 2 接口是在上世纪八十年代由i b m 公司首先开发的，起初主要应用在它的 p s 2 计算机上的鼠标、键盘或并行端口的接口。后来市场上p c 的主板上通常都 留有两个p s 2 接口，分别接p s 2 鼠标和p s 2 键盘。 p s 2 接口常用来取代原先的r s - - 2 3 2 串行接口，其鼠标和键盘逐渐成为了市 场上的主流产品。这几年出现了通用串行总线( u s b ) ，随之使用u s b 接口的各 种产品所占的市场份额越来越多。但一般来说，p c 机上大多配置p s 2 鼠标和键 盘，笔记本上大多配置u s b 鼠标。 p s 2 接口是一种同步串行接口，有一条数据线和一条时钟线，同时还有+ 5 v 及接地线。设备方提供时钟来做双向通信。设备方传送鼠标的数据和接收主机 命令用时钟的上升沿同步。数据的格式使用1 1 位：1 个为0 的开始位、8 个数据 位、1 个奇偶校验位、以及1 个为1 的结束位。主机是在开机时向设备发送一系 列初始化命令来识别设备的。 1 1 3u s b 接口简介 u s b 规范的前身是a c c e s s b u s 规范，有p h i l i p s 与数字设备公司( d i 百t m e q u i p m e n tc o r p o r a t i o n ) 所指定并成为公开的标准。a c c e s s b u s 的设计是让键 盘、指示设备以及其他设备在每秒1 0 0 k b i t 的速度下工作。a c c e s s b u s 可以支 持1 2 5 个设备，以及1 0 米长的电缆。这些设备是插入式的，电缆则包括+ 5 v 电 源线和接地线。 1 9 9 4 年1 1 月，i n t e l 公司提出了u s b 接口的概念，并获得了n e c ，i b m ， m i c r o s o f t , c o m p a g 等各大厂商的支持。1 9 9 5 年成立的u s b 开发者论坛 ( u s bi m p l e m e n t e r sf o r u m ) 主导了各种u s b 外围设备的开发，并制定了u s b 相关的协议。 1 9 9 6 年1 月，u s b l 0 版本发表。随后u s b l 1 修订了1 0 版本的问题，并且 增加了一个新的传输类型( 中断传输) 。u s b 2 0 于2 0 0 0 年4 月发表，新增了高 速模式。 本文设计的u s b 接口按照u s b l 1 协议设计，使用低速( 1 5 m b i t s ) 通信模 式和计算机连接。该接口的低速应用主要是u s b 鼠标、u s b 游戏手柄、u s b 无 线鼠标或键盘的接收方、以及其它一些低速u s b 设备。 u s b 接口具有自动检测的功能，外围设备接入计算机不需要关闭计算机电 2 、 第一章引言 源，适合作为系统和计算机进行数据通信的媒介。u s b 是一个高速的串行接口， 可由不同的计算机外设共享。计算机是u s b 总线的主控者，负责对各个外围设 备发出各种命令。u s b 是以令牌包为主的通信模式，主机发送令牌包，符合其 设备地址的设备就会做出相应的操作。 第二节p s 2 和i j s b 设备的结构及本论文研究的工作 如前所述，p s 2 接口和u s b 接口是当前低速设备中使用比较广泛的两种接 口。为了更方便更灵活的使用两种接口，诸如鼠标、键盘、游戏手柄等产品中 往往会将两种接口集成在同一个芯片里，使之具有u s b 和p s 2 双重接口的功能， 生产商可以根据实际需要，决定具体使用哪个接口。这两个接口通过一个 u s b p s 2 复合接口连接到主机上。u s b p s 2 复合接口的结构如图1 1 所示。 这种复合接口的原理是将p s 2 接口的数据输入和输出端口分别与 p s 2 d a t a i 、p s 2 d a t a o r 连接，时钟输入和输出端口分别与p s 2 c l k i 、 p s 2 c l k o r 连接，+ 5 v 和接地线分别与v d d 和g n d 连接；再将u s b 的d + 和d 一分别与u s b d + 、u s b d 一连接，+ 3 3 v 和接地线分别与v 3 3 v 和g n d 连接。当设置p s 2r p e n 信号为1 ，u s br p e n 为o 时，v d d 为下面的集电极 开路结构供电，此时p s 2 接口开始正常工作；反之，当p s 2r p e n 信号为o ， u s br p e n 信号为1 时，v 3 3 v 为电路供电，此时集电极开路结构不工作，u s b 接口开始正常工作。 u s b d u s b d + p s 2 d a t a 工 p s 2 c l k 工 p s 2 d a t a o r p s 2 c l k o r ：_ 图1 1u s b p s 2 符合接口结构图 由于这种设计结构具有非常好的灵活性，尽管成本略有增加，还是得到了广 3 第一章引言 泛的认可。 另外，当前大多数的u s b p s 2 产品都是全硬件的专用集成电路芯片，即整个 产品从物理层到应用层的所有模块都通过硬件实现。结构如图1 2 所示。 图1 2 全硬件实现的u s b p s 2 产品的结构 这种结构实现起来成本比较低廉，然后，灵活性却受到了很大的限制，由于 模块的功能在流片前就已经确定了，因此后期如果想要在功能上进行改进就会 比较困难。 针对这样的情况，便出现了一种软件和硬件相结合的解决方案，即将接口模 块集成到m c u 上，而把应用层的模块用嵌入到m c u 的固件来代替，结构如图 1 3 所示。这种方法由于引入了m c u ，大大提高了电路的灵活性。如果需要在 功能上进行改进，只需修改固件程序。 图1 3 软硬件结合的u s b p s 2 产品的结构 4 第六章是结论部分，对两种接口电路的设计做一个总结。 5 第二章接口协议介绍 第二章接口协议介绍 第一节p s 2 接口协议 p s 2 ( p e r s o n a ls y s t e r n 2 ) 接口协议是i b m 公司在2 0 世纪8 0 年代末提出的一项 接口标准。它为计算机外设提供了一种新的接口。今天，绝大多数个人电脑的 鼠标和键盘都采用p s 2 接口。 尽管p s 2 接口已经成为一种被广泛采用的标准接口，但是其协议原本却始终 没有被公开。因此，相关的介绍文档并不多。仅有的一些也都是根据作者的实 际经验总结而成。但是这些经验已经被证明是正确的，本论文的p s 2 鼠标接口 控制器就是根据这些经验文档设计完成的。 p s 2 接口协议可以分为两大部分。一部分为通用的p s 2 接口数据通讯协议。 另一部分为针对某一具体设备( 键盘或鼠标) 的接口协议，由于本论文通过模 拟鼠标来验证接口的功能的正确性，因而下面就分别介绍通用p s 2 接口协议和 p s 2 鼠标协议。 2 1 1p s 2 接口数据通讯协议哺1 2 1 1 1 概述 p s 2 接口共有两种：5 - p i nd i n 和6 - p i nm i n i d i n 。其管脚的具体分布如图 2 1 所示。目前主板上的p s 2 接口基本上都是6 - p i nm i n i d i n 。 s - p i nd i n 辫i - c l o c k i m p l e m e n t e d 2 d a t a 、il ， 3 州o t：、一， l h d ef e m a l e 4 - o r o u n d m a l ef e m a l e 5 + 5 v 图2 1p s 2 接口管脚分布 6 _ p i ni i n i d i n 1 d a t a 2 硼o ti m p l e m e n t 3 - 1 汪o u n d t 一+ s v s c l o c k 6 1 i o tl a p l e n e n t e d p s 2 接口共有四根信号线：g n d 、v c c = 5 v 、d a t a ，c l o c k 。其中电源由 主机( h o s t ) 提供。在主机方d a t al i n e 和c l o c kl i n e 都采用图2 2 所示的结 构。设备方则采用相同的结构或者漏极开路的结构。 6 第二章接口协议介绍 d 山 c h 味 图2 2 主机方数据线的电路结构 p s 2 接口数据通讯协议属于半双工同步串行通讯协议。就是说，数据是靠时 钟沿同步一位一位发送的。数据既可以由主机发往设备，也可以由设备发往主 机。但是主机对通讯具有优先控制权。 主机在接收数据时，在时钟的下降沿读取数据；设备在接收数据时，在时钟 的上升沿读取数据。不管数据的通讯是由设备到主机还是由主机到设备，时钟 始终由设备产生。 一般来说，p s 2 接口时钟频率不能超过5 0 k h z ，最好是在1 5 k h z 左右。 2 1 1 2 设备向主机发送数据 设备向主机发送数据时采用的是1 1 位的串行通讯协议。即 1s t a r tb i t a l w a y s0 8d a t ab i t s ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i tf i r s t 1p a r i t yb i t ( o d dp a r i t y ) ( 只校验8 位d a t ab i t s ) ls t o p b i t a l w a y s1 设备在向主机发送每一个字节前都必须检查c l o c kl i n e 和d a t al i n e 的状 态，只有在二者均为高电平时，才能向主机发送数据；在发送每一位之前也必 须检查c l o c kl i n e 的状态，只有当其为高电平时才能发送。设备必须保证在 c l o c k 的下降沿到来之前将要发送的数据稳定输出到d a t al i n e 上。 图2 3 就是p s 2 设备向主机发送一个字节的实例。设备方首先检查到d a t a l i n e 和c l o c kl i n e 均为高电平，认为可以发送数据，于是产生时钟发送数据。 本例中发送的数据是3 8 h ，奇偶校验位是0 。请注意在发送完停止位后，c l o c k 7 第二章接口协议介绍 l i n e 被拉低了一段时间。这是主机方主动作用的结果。主机方每接到一个字节 就会把c l o c kl i n e 拉低一段时间，禁止一切数据通信，以便利用这段时间进行 数据处理。 图2 3设备向主机发送数据实例 2 1 1 3 主机向设备发送数据 设备在接收数据时采用的是1 2 位的通信协议。即： 1s t a r tb i t a l w a y s0 8d a t ab i t s ，l e a s ts i g n i f i c a n tb i tf i r s t 1p a r i t yb i t ( o d dp a r i t y )( 只校验8 位d a t ab i t s ) ls t o p b i t a l w a y s1 1a c k n o w l e d g e a l w a y s0 ( 由设备产生) p s 2 协议规定，主机在发送数据之前必须把c l o c kl i n e 拉低至少1 0 0u s ( 禁 止任何通信) ，再把d a t a l i n e 拉低( 相当于起始位o ) ，然后释放c l o c kl i n e ， 等待设备方产生时钟，自己发送数据( 不包括起始位o ) 。设备方在接收数据时 靠c l o c k 的上升沿同步，即设备在c l o c kl i n e 的每个上升沿从d a t al i n e 上 读取数据。图2 4 是p s 2 设备接收数据的示意图。 图2 4 中上半部分是主机方对c l o c kl i n e 和d a t a l i n e 进行的操作，下半 部分是设备方对c l o c kl i n e 和d a t al i n e 进行的操作。从图中可以看出，主机 先把c l o c kl i n e 拉低了一段时间，然后把d a t al i n e 拉低，跟着释放c l o c k l i n e ( 相当于发出了起始位0 ) 。设备方探测到c l o c kl i n e 为高电平、d a t a l i n e 为低电平的状态，认为主机将要发送数据，于是产生时钟，读取1 0 位数据( 8d a t a b i t s + 1p a r i t y b i t + 1s t o pb i t ) 。设备方在收到停止位后需要发出1 位a c k n o w l e d g e b i t ( a l w a y so ) 。在发送该位时设备方必须在时钟的下降沿以前将d a t al i n e 置 零，这样主机在读取该位时靠下降沿同步才不会出错。另外，p s 2 协议还对某些 8 第二章接口协议介绍 状态的持续时间做了规定，比如( a ) 状态持续时间最长不能超过1 5 m s ，c o ) 状 态持续时间最长不能超过2 m s 。这两条件只要有一个得不到满足，主机方都会报 错。 窃而i 吁一 呈磊f _ 、； ) x ( ) 丌一 - 一一- 一一- 一- 一一- 一j - 一一一一一一一一一一一一一- - 一- 一- 一一j 一一- - - 一一- 燮瓦元f 几nr 几r n 几r 几n 厂一 岂d a t au lll薹l薹薹l薹耋l - - 卜 卜_ 卜卜ox 爵舌舌苫苫舌舌舌苫盂云譬 图2 4p s 2 设备接收数据示意图 注意：在空闲状态，c l o c kl i n e 和d a t al i n e 都应该是高电平。这就要求 无论是主机还是设备在发送完一次数据后，都应该释放c l o c kl i n e 和d a t a l i n e ，使它们处在高电平。只有这样才能维持正常的数据通信。 2 1 2p s 2 设备通信协议m 1 针对鼠标的p s 2 接口设备协议主要包括一个命令集和鼠标动作数据包的格 式。 2 1 2 1 基本概念 ， 在介绍具体命令以前，先介绍三个与鼠标相关的重要概念。 ( 1 ) 分辨率( r e s o l u t i o n ) 分辨率是指鼠标在x 方向或y 方向上每移动l m m ，位移计数器增加的个数。 默认值是4 c o u n t s r a m 。主机可以通过命令0 x e 8 设置鼠标的分辨率。主机发送给 鼠标的分辨率设置值共有4 种：o x 0 0 表示1 c o u n t s m m ，0 x 0 1 表示2 c o u n t s r a m ， o x 0 2 表示4 e o u n t s m m ，o x 0 3 表示8e o u n t s m m 。 ( 2 ) 缩放比例( s c a l i n g ) 主机可以对鼠标的缩放比例进行设置，共有两种缩放比例：s c a l i n g = l ：1 和 s c a l i n g = 2 ：1 。缩放比例对鼠标位移计数器的值并不产生任何影响，但是对打包后 的位移数值会产生影响。具体来说：当s c a l i n g = 1 ：1 时，打包后的位移数值与位 移计数器中的数值相等；当s c a l i n g = 2 ：1 时，打包后的位移数值按照图2 5 的算法 由位移计数器中的值推算得出。s c a l i n g 的默认值是1 ：1 。 9 第二章接口协议介绍 图2 5 位移量修正算法 ( 3 ) 采样率( s a m p l er a t e ) 采样率是指每秒钟鼠标芯片采集鼠标动作信息的次数，也就是每秒钟鼠标向 主机发送数据包的次数。在鼠标初始化的时候，主机会对鼠标的采样率进行设 置，一般来说采样率可能值包括：1 02 04 06 08 01 0 02 0 0 s a m p l e s s e c 。默认值是 1 0 0 。根据实践经验，虽然主机在初始化时对鼠标芯片的采样率进行设置，但是 在数据通讯过程中鼠标发送数据包的频率并不受采样率的限制。例如：主机在 初始化时设置鼠标的采样率为6 0 s a m p l e s s e c ，初始化完成后，鼠标以1 0 0 次s e e 的频率向主机发送数据包，并不会产生任何错误。 ( 4 ) p s 2 鼠标d 按照鼠标的功能可以将p s 2 鼠标分为三种：标准p s 2 鼠标、3 d 3 b 鼠标和3 d 5 b 鼠标。每一种鼠标都拥有一个i d 号，以供主机识别。标准p s 2 鼠标的i d 号是 0 x 0 0 ，3 d 3 b 鼠标的i d 号是0 x 0 3 ，3 d 5 b 鼠标的i d 号是0 x 0 4 。 2 1 2 2 命令集 主机对p s 2 鼠标的控制是通过一系列命令来实现的。这些命令加起来共有 十六条，但是作者经过研究发现，只有十条命令比较常用。一般来说如果一个 鼠标芯片可以正确完成对这1 0 条命令的应答，就可以实际应用了。 ( 1 ) 0 x f f ( r e s e t ) p s 2 鼠标在收到这条命令后首先要向主机回复0 x f a ，表示成功的接收到了 这条命令。然后，p s 2 鼠标芯片要进行自检，同时设置一些默认值： s a m p l er a t e = 1 0 0s a m p l e s s e c ， r e s o l u t i o n = 4 c o u n t s m m ， s c a l i n g = l ：1 ， 禁止鼠标向主机发送数据。 自检通过以后鼠标要依次向主机发送0 x a a 和0 x 0 0 。0 x a a 表示自检通过， 1 0 第二章接口协议介绍 0 x 0 0 是标准p s 2 鼠标的i d 号。 ( 2 ) 0 x f 6 ( s e t sd e f a u l t s ) p s 2 鼠标在收到这条命令后首先要向主机回复0 x f a ， 这条命令。然后自动载入默认设置： s a m p l er a t e = 10 0s a m p l e s s e c ， r e s o l u t i o n = 4 c o u n t s r a m ， s c a l i n g = l ：1 ， 禁止鼠标向主机发送数据。 ( 3 ) 0 x f 5 ( d i s a b l ed a t ar e p o r t i n g ) p s 2 鼠标在收到这条命令后首先要向主机回复0 x f a ， 这条命令。然后禁止鼠标向主机发送数据。 ( 4 ) 0 x f 4 ( e n a b l ed a t ar e p o r t ) 表示成功的接收到了 表示成功的接收到了 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复0 x f a ，然后就可以进入向主机 发送动作信息的状态。一般来说，初始化过程中的做后一条令都是0 x f 4 。 ( 5 ) 0 x f 3 ( s e ts a m p l er a t e ) 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复0 x f a ，然后再从主机那里读取 一个字节，这个字节就是主机发出的采样率的值。在成功读取了采样率字节以 后，p s 2 鼠标还需向主机回复0 x f a 。 ( 6 ) o x f 2 ( g e td e v i c ei d ) 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复0 x f a ，紧接着向主机发送自己 的d 号( o x 0 0 ，0 x 0 3 ，0 x 0 4 三者之一) 。在发送d 号的时候还有一些细节需要注 意，下文中将会提到。 ( 7 ) 0 x e 9 ( s t a t u sr e q u e s t ) 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复0 x f a ，然后发出一个三字节的 状态数据包。状态数据包的具体格式如图2 6 所示。 b 赶7b 吐6b 虹5b 2 4b 赶3b i l 2b 矗ib i t 0 吣1 区亟砸亚逝歪夏区菱巫歪逦运匿匦 b 咖2 ! ! ! ! 些! ! b 协3s a m p i e r 斑e 图2 6s t a t u s 数据包格式 第二章接口协议介绍 如果有按键被按下，则对应的按键位被置一，否则清零； 如果缩放比例为1 ：1 ，则s c a l i n g = o ，缩放比例为2 ：1 ，则s a c l i n g = l ； 如果鼠标处在禁止向主机发送数据的状态，则e n a b l e = o ，否则e n a b l e = 1 ； 如果鼠标处在r e m o tm o d e ，则m o d e = l ，处在s t r e a mm o d e ，m o d e = 0 ； 至于r e s o l u t i o n 和s a m p l er a t e 就是当前分辨率和采样值。 典型的状态数据包内容为：b y t e l = 0 x 0 0 ，b y t e 2 = 0 x 0 0 ，b y t e 3 = 0 x 6 4 。 ( 8 ) 0 x e 8 ( s e tr e s o l u t i o n ) 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复0 x f a ，然后从主机读取一个字 节( 分辨率字节) ，再向主机回复0 x f a 。分辨率字节的值和其对应的分辨率如图 2 7 所示。 l b y t er e a d f r o m h o 盘 r e s o l u t i o n ； l 0 x 0 0 le o u n t h r 雌； l 0 x 0 12c o u n t r a m 9 0 x 0 24c o u n t 柚n l o x 0 38e o a h t l m m 图2 7 分辨率设置 ( 9 ) 0 x e 7 ( s e ts c a l i n g2 ：1 ) 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复0 x f a ， 设为2 ：1 。 ( 1 0 ) 0 x e 6 ( s e ts c a l i n g1 ：1 ) 接到该命令后，p s 2 鼠标首先要向主机回复o x f a ， 设为1 ：l 。 然后把自己的缩放比例 然后把自己的缩放比例 2 1 2 3 鼠标动作数据包的格式 p s 2 鼠标可以分为标准p s 2 鼠标、3 d 3 b 鼠标和3 d 5 b 鼠标。每一种鼠标都 有自己特定的数据包格式。 ( 1 ) 标准p s 2 鼠标的数据包格式 b i l 7 b i t 6 b i i 5b n 4b i l 3b i t 2b i t lb i l 0 r v t 1 a y t e 3 y m e v er n e n t 图2 8标准p s 2 鼠标的数据包格式 ( 2 ) 3 d 3 bp s 2 鼠标的数据包格式 1 2 第二章接口协议介绍 b i t 7b i t 6b 丑5b 1 4b i t 3b i t 2b i t lb 主10 呐，匾五巫递亟亟趟递五丕蔓玉运萄画画 b y t e2 x m o v e m e n t a v t e3 ：y m o v e m e n t b y t e 4 z m o v a m e n t 图2 93 d 3 bp s 2 鼠标数据包格式 ( 3 ) 3 d 5 bp s 2 鼠标的数据包格式 b 迁7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i l 2b i i lb i l 0 日_ i t e1p ，t ，_ r _ i yo v e t l o 吣0 v e r l o v d 舯b l s g n 眦一旧捧1 i d d l eb t nr 峥眦b t n e nb t n l 日把2 【一，h o 垤m 酬l 呐。 二二二二二二五五蕊二二二二二 日t e4l 苎! 竺! ! ! ：皂岫! l 塾盥l 熊盥i 翌翌i 量! | 罂i 图2 1 03 d 5 bp s 2 鼠标的数据包格式 这三种数据包的基本格式是相同的，即：某个按键位被置1 ，表示对应的键 被按下；被清零表示对应的键被抬起。x 方向和y 方向的位移数均用9 位表示 ( 1 位符号位，8 个数据位。) ，其数值范围是2 5 5 2 5 5 ，相当于用反码表示。z 方向则不同，无论是图2 9 所示的8 位表示还是图2 1 0 所示的4 位表示，其位 移数目均用补码表示，且范围只能是8 7 。x 方向为正表示鼠标向右移动；y 方 向为正表示鼠标向右移动；z 方向为正表示滚轮向下滚动( 相当于p a g ed o w n ) 。 2 1 2 4 主机如何获取鼠标的类型 前面已经提过，p s 2 鼠标共分三种。那么主机是如何知道所连接的鼠标到底 是哪一种呢? 主机是靠鼠标d 来识别鼠标类型的。但是鼠标如何发送自己的i d 才能让主机正确识别还是颇有些学问的。 在上电复位后，不管是哪类鼠标都要发送i d0 x 0 0 ，通知主机有p s 2 鼠标连 接到了主机上。 此后，如果主机支持3 d 5 b 鼠标，那么主机会连续发出下面一系列命令： s e ts a m p l er a t e2 0 0 s e ts a m p l er a t e2 0 0 s e ts a m p l er a t e8 0 如果主机支持3 d 3 b 鼠标，主机会发出下面一系列命令： s e ts a m p l er a t e2 0 0 s e ts a m p l er a t e1 0 0 13 第二章接口协议介绍 s e ts a m p l er a t e8 0 发完这些命令后，主机会发出“g e td e v i c ei d 命令( 0 ) 【f 2 ) ，然后等待鼠标 的回答。如果鼠标回复0 x 0 3 ，则主机认为是3 d 3 b 鼠标；如果鼠标回复0 x 0 4 ， 则主机认为是3 d 5 b 鼠标。 请注意，p s 2 设备与主机之间的通讯是由设备首先发起的，p s 2 设备应在上 电以后3 0 0 - 5 0 0 m s 之间发出自检成功的标志。而u s b 设备与主机之间的通讯是 由主机发起的。这一点对于上电复位以后判别接口类型非常重要。附录一是作 者实测的一只3 d 3 b 鼠标在w i n 2 0 0 0 系统下的初始化过程。 第二节u s b l 1 接口协