《Xilinx FPGA设计与实践教程》课件-第10章

第十章PS/2鼠标接口控制器

10.1PS/2鼠标接口电路10.2PS/2传输子系统设计10.3PS/2鼠标数据传输系统10.4PS/2鼠标数据接口电路本章小结 10.1PS/2鼠标接口电路

10.1.1关于鼠标

计算机上的鼠标是用来检测在平面二维空间中的移动状态和坐标的。其内部电路用来测量移动的相对距离以及按键状态。对于PS/2接口的鼠标，鼠标的传输信息打包成三个数据包通过PS/2口发送出去；在传输过程中，数据以串行方式发送并且按照预先设定的采样率持续传输。

PS/2端口的通信是双向的。主设备可以发送命令参数给键盘和鼠标。对于键盘来说，不需要主设备向键盘发送参数，因为这样会对键盘提出更高的要求。而鼠标不一样，上电之后不发送任何信息给主设备，反而主设备需要首先发送命令初始化鼠标，使鼠标处于连续发送信息状态。所以PS/2鼠标接口是需要支持双向通信接口的。下面介绍PS/2的鼠标接口协议，并设计一个简单的双向鼠标数据传输接口电路。10.1.2鼠标PS/2通信协议

标准的PS/2鼠标接口数据不仅反映鼠标在X轴和Y轴的移动情况，而且还包括鼠标左键、中键、右键的状态信息。鼠标电路包含一个内部计数器，其用来计算鼠标的每次移动量。当数据传输给主机时，计数器清零后重新开始计数。该计数器的值为一个9bit宽的带符号整数，其正值代表向右或向上运动，其负值代表向左或向下运动。计数器与实际物理距离之间的关系由鼠标特性参数来决定。默认为每计数4次代表1mm。当鼠标持续移动时，数据以固定速率传输，这个速率由鼠标采样率决定。默认采样率为100次每秒。如果鼠标移动速率过快，采样期间移动量计数值则有可能超过计数器的最大值。计数器在适当的方向设置有最大幅度，并用两位溢出位来指示这种情况。

反映鼠标的移动及点击活动需要三个字节，它们被封装在PS/2协议中。3个字节数据的具体格式以及含义如表10-1所示。包含有如下的信息：

(1) X8，…，X0：在2秒完全模式下的X轴移动量；

(2) Xv：X轴移动溢出；

(3) Y8，…，Y0：在2秒完全模式下的Y轴移动量；

(4) Yv；Y轴溢出；

(5) l：左键状态，当左键按下时为1；

(6) r：右键状态，当右键按下时为1；

(7) m：可选择中键，当键按下时为1。

传输过程中，字节1首先被发送，字节3最后被发送。10.1.3初始化过程

鼠标的操作相对于键盘的操作要复杂的多。它有各种不同的模式，通常用的最多的是串行流模式，即鼠标检测有移动或者有键按下时，不断将数据发送给主机，如果运动是持续的，数据按照设计的采样率发送。

操作过程中，主机可以给鼠标发送命令，修改默认值或其他参数，来设置不同的操作模式，然后鼠标发送状态信号进行响应。在设计中要求所有设置为默认值，不做变化，唯一任务是设置鼠标为持续数据流模式。这时PS/2和FPGA开发板之间的初始化步骤如下：

(1)上电时鼠标首先进行上电自检，如果鼠标发送一个字节AA，则表示自检通过；然后发送一个字节数据00，为标准鼠标的ID号。

(2) FPGA主机端发送命令F4，使能数据流模式，鼠标返回FE来响应命令。

(3)鼠标进入数据流模式，然后发送正常的数据包。

如果在FPGA板上电之前鼠标已经插在了FPGA验证板上，则当板子上电时，鼠标立即发送“AA00”，由于FPGA芯片当时还没有被配置，那么将不能接收到鼠标发送的数据。所以通常会忽略上述步骤(1)，将鼠标接口时序电路做简化，仅需要发送F4命令来检测鼠标FE响应，然后直接进入正常工作状态来传输鼠标数据包。也可以通过发送复位命令来强制鼠标返回到初始状态。

(1) FPGA主机端发送命令FE复位鼠标，鼠标将返回FE来响应。

(2)鼠标执行上电自测，然后发送“AA00”，在这个过程中，数据流模式将被禁止。

新型鼠标增加了很多功能，比如鼠标带有滚轮或者另外增加新的按钮，这样就需要发送更多的信息，这些多出来的字节将和原始的三字节数据打包一起发送。

10.2PS/2传输子系统设计

10.2.1主系统对PS/2设备的通信协议

主系统对PS/2设备的通信协议包含双向数据交换。鼠标数据和时钟为开漏极电路，可以认为它们为三态门。基本时序传输协议如图10-1所示，其中，数据和时钟信号线标为ps2d和ps2c。可以清楚地发现，时序图被分成两部分，一部分反映主系统(host)的活动，而另一部分反映设备(mouse)的活动。基本操作时序如下：

(1)主设备强行置低ps2c至少100μs来禁止任何鼠标活动，可以认为是主系统请求发送数据包。

(2)主设备强行置低ps2d，禁止ps2c，可以认为是主机发送一个开始信号。

(3)此时PS/2从设备开始控制ps2c，负责PS/2时钟信号的产生；当检测到开始信号时，PS/2设备产生1到0的信号传输。

(4)一旦检测到传输开始，主系统串行移位最低位数据在ps2d线上，并一直保持原值直到PS/2设备在ps2c线上产生1到0的跳变，也称数据响应位。

(5)重复步骤(4)，直到剩余的7位数据和1位奇偶校校验位发送结束。

(6)发送完奇偶校验位之后，主机禁止ps2d(设为高阻态)，PS/2从设备接管ps2d数据线并通过置ps2d为0来响应传输完成。根据需要，主设备可以通过在ps2c从1到0跳变时刻检查ps2d上面的值来验证是否成功传输。图10-1PS/2接口主从设备之间的时序图10.2.2设计与编码

与前面讲述的接收子系统不同之处在于ps2c与ps2d信号为双向传输。每个信号都需要三态缓冲器，三态缓冲器的接口如图10-2所示。tri_c与tri_d信号为三态缓冲器的使能信号，当置为1时，ps2c_out与ps2d_out信号传输到输出端口，否则ps2c_out与ps2d_out信号为高阻状态。图10-2PS/2传输子系统三态缓冲器 为了更加明确设计传输子系统的流程，根据鼠标数据传输控制协议来画出ASMD状态图，如图10-3所示。状态机起始状态为空状态(idle状态)。当主机置位wr_ps2信号并将数据放在din上时，状态机启动并装载din信号和校验位par，并一同送到移位寄存器shift_reg中，然后置c_reg寄存器为全1，c_reg寄存器由一个13位计数器组成，用来产生164μs的延迟。紧接着状态机进入请求发送状态(rts状态)。在rts状态，状态机置位ps2c_out为0，并将相对应三态缓冲器的使能位tri_c置位，判断c_reg还没有清零，状态机进入开始状态(start状态)。这时，ps2时钟信号被禁止，数据线被置为0，PS/2设备接管并生成时钟信号在ps2c信号线上。当通过fall_edge信号检测到ps2c信号下降沿时，状态机进入数据传输状态(data状态)，开始移位8位数据和1位检验位，而寄存器n用来保持追踪移位数目。当寄存器n为0，即数据移位传输结束时，状态机进入停止位(stopstate)；此时，数据线被停止，当检测到最后一个下降沿时返回到idle状态。另外，状态机还包含tx_idle信号来指示传输是否正在进行，此信号可以被用来作为与发送和接收接口模块的状态指示信号，具体细节如程序10-1所示。fall_edge信号也是通过与前面所述的滤波电路产生的。图10-3PS/2发送子系统FSM流程图

【程序10-1】PS/2发送子系统。

moduleps2_tx

(

input

wireclk,reset,

input

wirewr_ps2,

input

wire[7:0]din,

inout

wireps2d,ps2c,

output

regtx_idle,tx_done_tick

);

//状态机状态信号定义

localparam[2:0]

idle=3'b000,

rts=3'b001,

start  =3'b010,

data=3'b011,

stop=3'b100;

//信号声明

reg[2:0]state_reg,state_next;

reg[7:0]filter_reg;

wire[7:0]filter_next;

regf_ps2c_reg;

wiref_ps2c_next;

reg[3:0]n_reg,n_next;

reg[8:0]b_reg,b_next;

reg[12:0]c_reg,c_next;

wirepar,fall_edge;

regps2c_out,ps2d_out;

regtri_c,tri_d;

//=================================================

//滤波和ps2c的下降沿检测电路

//=================================================

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

begin

filter_reg<=0;

f_ps2c_reg<=0;

end

else

begin

filter_reg<=filter_next;

f_ps2c_reg<=f_ps2c_next;

end

assignfilter_next={ps2c,filter_reg[7:1]};

assignf_ps2c_next=(filter_reg==8'b11111111)?1'b1:

(filter_reg==8'b00000000)?1'b0:

f_ps2c_reg;

assignfall_edge=f_ps2c_reg&~f_ps2c_next;

//=============================================

//FSMD

//=============================================

//FSMD状态和数据寄存器

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

begin

state_reg<=idle;

c_reg<=0;

n_reg<=0;

b_reg<=0;

end

else

begin

state_reg<=state_next;

c_reg<=c_next;

n_reg<=n_next;

b_reg<=b_next;

end

//偶校验位

assignpar=~(^din);

//FSMD下一状态逻辑

always@*

begin

state_next=state_reg;

c_next=c_reg;

n_next=n_reg;

b_next=b_reg;

tx_done_tick=1'b0;

ps2c_out=1'b1;

ps2d_out=1'b1;

tri_c=1'b0;

tri_d=1'b0;

tx_idle=1'b0;

case(state_reg)

idle:

begin

tx_idle=1'b1;

if(wr_ps2)

begin

b_next={par,din};

c_next=13'h1fff; //213-1

state_next=rts;

end

end

rts: //发送请求

begin

ps2c_out=1'b0;

tri_c=1'b1;

c_next=c_reg-1;

if(c_reg==0)

state_next=start;

end

start: //置位start

begin

ps2d_out=1'b0;

tri_d=1'b1;

if(fall_edge)

begin

n_next=4'h8;

state_next=data;

end

end

data: //8位数据+1位校验

begin

ps2d_out=b_reg[0];

tri_d=1'b1;

if(fall_edge)

begin

b_next={1'b0,b_reg[8:1]};

if(n_reg==0)

state_next=stop;

else

n_next=n_reg-1;

end

end

stop://ps2d置位为高

if(fall_edge)

begin

state_next=idle;

tx_done_tick=1'b1;

end

endcase

end

//三态缓冲器

assignps2c=(tri_c)?ps2c_out:1'bz;

assignps2d=(tri_d)?ps2d_out:1'bz;

endmodule

本代码中没有错误检查电路。更健壮的设计要求检查校验位的正确性，并且包含一个看门狗计数器来防止鼠标在错误的状态下抖动。

10.3PS/2鼠标数据传输系统

10.3.1双向传输PS/2接口电路设计

综合接收和发送系统来设计双向传输PS/2接口电路。图10-4为设计模块框图，用tx_idle和rx_en作为状态信号来调整传输和接收操作。传输操作优先级略高，当系统正在进行传输时，tx_idle信号无效；否则，禁止接收操作。接收系统只有在传输系统为空的情况下才允许输入，两者轮流工作，具体细节如程序10-2所示。图10-4双向PS/2接口的顶层模块图

【程序10-2】双向传播PS/2接口电路。

moduleps2_rxtx

(

input

wireclk,reset,

input

wirewr_ps2,

inout

wireps2d,ps2c,

input

wire[7:0]din,

output

wirerx_done_tick,tx_done_tick,

output

wire[7:0]dout

);

//信号声明

wiretx_idle;

//例化PS/2接收器

ps2_rxps2_rx_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.rx_en(tx_idle),

.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.rx_done_tick(rx_done_tick),.dout(dout));

//例化PS/2发送器

ps2_txps2_tx_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.wr_ps2(wr_ps2),

.din(din),.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.tx_idle(tx_idle),.tx_done_tick(tx_done_tick));

endmodule10.3.2双向传输PS/2验证电路

设计一个测试电路来验证双向传输PS/2接口电路，整体框图如10-5所示。人工发送传输命令，用8位拨码开关设置数据，然后用按键产生一个时钟脉宽的脉冲来发送数据包，接收数据包首先需要通过byte-to-ascii电路，将数据转接成ASCII码外加空格的形式，然后用UART发送到PC的超级终端上。具体细节如程序10-3所示。图10-5PS/2双向接口验证电路【程序10-3】双向传输PS/2验证电路。

moduleps2_monitor

(

input

wireclk,reset,

input

wire[7:0]sw,

input

wire[2:0]btn,

inout

wireps2d,ps2c,

output

wiretx

);

//常数定义

localparamSP=8'h20; //spaceinASCII

//状态声明

localparam[1:0]

idle=2'b00,

send1=2'b01,

send0=2'b10,

sendb=2'b11;

//信号声明

reg[1:0]state_reg,state_next;

wire[7:0]rx_data;

reg[7:0]w_data,ascii_code;

wirepsrx_done_tick,wr_ps2;

regwr_uart;

wire[3:0]hex_in;

//==============================================

//例化

//==============================================

//例化PS/2传输接收

ps2_rxtxps2_rxtx_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.wr_ps2(wr_ps2),

.din(sw),.dout(rx_data),.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.rx_done_tick(psrx_done_tick),.tx_done_tick());

//例化UART发送模块

uartuart_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.rd_uart(1'b0),

.wr_uart(wr_uart),.rx(1'b1),.w_data(w_data),

.tx_full(),.rx_empty(),.r_data(),.tx(tx));

//例化按键防反弹电路

debouncebtn_db_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.sw(btn[0]),

.db_level(),.db_tick(wr_ps2));

//============================================

//发送ASCII字符状态机模块

//============================================

//状态寄存器

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

state_reg<=idle;

else

state_reg<=state_next;

//下一状态逻辑

always

@*

begin

wr_uart=1'b0;

w_data=SP;

state_next=state_reg;

case(state_reg)

idle:

if(psrx_done_tick) //接收扫描码

state_next=send1;

send1: //发送十六进制字符高字节

begin

w_data=ascii_code;

wr_uart=1'b1;

state_next=send0;

end

send0: //发送十六进制字符低字节

begin

w_data=ascii_code;

wr_uart=1'b1;

state_next=sendb;

end

sendb: //发送空格字符

begin

w_data=SP;

wr_uart=1'b1;

state_next=idle;

end

endcase

end

//===========================================

//显示扫描码

//===========================================

//将扫描码分离成两个4bit十六进制数

assignhex_in=(state_reg==send1)?rx_data[7:4]:

rx_data[3:0];

//十六进制数到ASCII码转换电路

always@*

case(hex_in)

4'h0:ascii_code=8'h30;

4'h1:ascii_code=8'h31;

4'h2:ascii_code=8'h32;

4'h3:ascii_code=8'h33;

4'h4:ascii_code=8'h34;

4'h5:ascii_code=8'h35;

4'h6:ascii_code=8'h36;

4'h7:ascii_code=8'h37;

4'h8:ascii_code=8'h38;

4'h9:ascii_code=8'h39;

4'ha:ascii_code=8'h41;

4'hb:ascii_code=8'h42;

4'hc:ascii_code=8'h43;

4'hd:ascii_code=8'h44;

4'he:ascii_code=8'h45;

default:ascii_code=8'h46;

endcase

endmodule 10.4PS/2鼠标数据接口电路

10.4.1传输PS/2接口电路设计

PS/2接口电路是在PS/2双向传输电路外面再包一层电路。其主要功能是使能串行流模式和处理三个传输数据字节。电路的输出包括两个9位信号：xm和ym，分别代表鼠标在X轴和Y轴的移动信号；btm为3位按键状态信号；信号m_done_tick为一位时钟脉宽长度的状态信号，当传输数据有效时置位。

具体细节如程序10-4所示。程序主体状态机由7个状态组成。int1、int2和int3三个状态为在reset有效之后执行。在这三个状态中，状态机处理F4命令，等待数据传输后数据包开始响应，这时鼠标进入串行数据流模式。之后，状态机在pack1、pack2和pack3三个状态获取和处理下一个三字节数据包，然后在done状态激活m_done_tick信号，状态机不断循环后面四个状态。

【程序10-4】基本鼠标接口电路。

modulemouse

(

input

wireclk,reset,

inout

wireps2d,ps2c,

output

wire[8:0]xm,ym,

output

wire[2:0]btnm,

output

regm_done_tick

);

//常数声明

localparamSTRM=8'hf4; //数据流发送命令F4

//状态声明

localparam[2:0]

init1=3'b000,

init2=3'b001,

init3=3'b010,

pack1=3'b011,

pack2=3'b100,

pack3=3'b101,

done=3'b110;

//信号声明

reg[2:0]state_reg,state_next;

wire[7:0]rx_data;

regwr_ps2;

wirerx_done_tick,tx_done_tick;

reg[8:0]x_reg,y_reg,x_next,y_next;

reg[2:0]btn_reg,btn_next;

//例化

ps2_rxtxps2_unit

(.clk(clk),.reset(reset),.wr_ps2(wr_ps2),

.din(STRM),.dout(rx_data),.ps2d(ps2d),.ps2c(ps2c),

.rx_done_tick(rx_done_tick),

.tx_done_tick(tx_done_tick));

//FSMD状态和数据寄存器

always@(posedgeclk,posedgereset)

if(reset)

begin

state_reg<=init1;

x_reg<=0;

y_reg<=0;

btn_reg<=0;

end

else

begin

state_reg<=state_next;

x_reg<=x_next;

y_reg<=y_next;

btn_reg<=btn_next;

end

//FSMD下一状态逻辑

always

@*

begin

state_next=state_reg;

wr_ps2=1'b0;

m_done_tick=1'b0;

x_next=x_reg;

y_next=y_reg;

btn_next=btn_reg;

case(state_reg)

init1:

begin

wr_ps2=1'b1;

state_next=init2;

end

init2: //等待发送完毕

if(tx_done_tick)

state_next=init3;

init3: //等待数据包返回标志

if(rx_done_tick)

state_next=pack1;

pack1: //等待第一个数据包

if(rx_done_tick)

begin

state_next=pack2;

y_next[8]=rx_data[5];

x_next[8]=rx_data[4];

btn_next=rx_data[2:0];

end

pack2: //等待第二个数据包

if(rx_done_tick)

begin

state_next=pack3;

x_next[7:0]=rx_data;

end

pack3: //等待第三个数据包

if(rx_done_tick)

begin

state_next=done;

y_next[7:0]=rx_data;

end

done:

begin

m_done_tick=1'b1;

state_next=pack1;

end

endcase

end

//输出逻辑

assignxm=x_reg;

assignym=y_reg;

assignbtnm=btn_reg;

endmodule

10.4.2传输PS/2接口电路测试

我们设计一个简单的测试电