键盘控制器接口规范书

键盘控制器接口规范书一、范围本规范书定义了键盘控制器与主机系统之间的接口要求，包括电气特性、通信协议、功能定义、机械特性及兼容性要求。适用于通用计算机、工业控制设备、嵌入式系统等各类需要键盘输入的设备，作为键盘控制器设计、开发、测试及验证的统一标准。二、规范性引用文件下列文件对于本规范的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本规范。ISO/IEC9995-2:2020信息技术—键盘布局—第2部分：字母数字区、编辑区和功能区的布局USB-IFUSB3.2SpecificationRelease1.0PS/2InterfaceStandardVersion1.0IEEE1284-1994信息技术—办公设备—打印机与系统之间的并行接口三、术语和定义3.1键盘控制器（KeyboardController,KBC）一种专用集成电路或嵌入式模块，负责接收键盘按键扫描信号，将其转换为标准格式的按键数据，并通过接口与主机系统进行通信，同时处理键盘的指示灯控制、电源管理等功能。3.2扫描码（ScanCode）键盘控制器检测到按键按下或释放时生成的编码，用于标识具体按键的位置和状态。通常分为通码（MakeCode）和断码（BreakCode），分别对应按键按下和释放事件。3.3主机控制器（HostController）主机系统中负责与键盘控制器进行通信的硬件模块或软件驱动，如USB主机控制器、PS/2控制器等，用于接收键盘数据并转换为操作系统可识别的输入信号。3.4按键矩阵（KeyMatrix）键盘内部由行线和列线组成的网格结构，每个按键对应行线和列线的交叉点。键盘控制器通过扫描行线和列线的电平变化，检测按键的按下与释放状态。四、接口类型及电气特性4.1USB接口4.1.1物理层接口类型：支持USB2.0Full-Speed（12Mbps）及以上速率，向下兼容USB1.1。连接器：采用标准USBType-A或Type-C连接器，引脚定义符合USB-IF规范。VCC：+5V±5%，最大电流消耗不超过100mA（USB2.0）或900mA（USB3.2）。GND：接地引脚，用于信号回流和电源回路。D+、D-：差分数据传输引脚，采用半双工差分信号传输。电气特性：差分信号摆幅：200mV~400mV（共模电压范围0.8V~2.5V）。上升/下降时间：不超过4ns（USB2.0Full-Speed）。输入阻抗：≥15kΩ，输出阻抗：45Ω±10%。4.1.2协议层设备类：符合USB人机接口设备（HID）类规范，设备描述符、配置描述符、接口描述符及HID报告描述符需满足HID1.11规范要求。报告格式：支持标准键盘报告格式，报告长度为8字节，包含修饰键状态（如Shift、Ctrl、Alt）和6个按键扫描码。同时支持自定义报告格式，用于扩展功能键或多媒体按键。通信流程：设备枚举：键盘控制器接入主机后，通过USB枚举过程获取地址、配置参数及驱动程序。数据传输：采用中断传输方式，主机定期轮询键盘控制器获取按键数据，中断端点的轮询间隔不超过10ms。控制传输：用于主机向键盘控制器发送控制命令，如设置LED指示灯、重置设备等。4.2PS/2接口4.2.1物理层接口类型：采用6针Mini-DIN连接器，实际使用其中4个引脚。CLK：时钟信号引脚，由键盘控制器产生，频率为10kHz~16.7kHz。DATA：数据传输引脚，用于双向传输数据和命令。VCC：+5V±5%，最大电流消耗不超过100mA。GND：接地引脚。电气特性：逻辑电平：高电平≥2.0V，低电平≤0.8V。时钟信号占空比：40%~60%。上拉电阻：CLK和DATA引脚内部需集成10kΩ上拉电阻，默认状态为高电平。4.2.2协议层数据格式：采用串行异步通信，每个数据帧包含1个起始位、8个数据位、1个奇偶校验位和1个停止位，共11位。通信流程：主机发送命令：主机通过拉低CLK引脚抑制键盘控制器发送数据，随后发送命令帧，键盘控制器接收并响应。键盘发送数据：键盘控制器检测到按键事件后，在时钟信号同步下发送扫描码，主机接收并处理。响应机制：键盘控制器接收主机命令后，需发送ACK（0xFA）表示正确接收，发送RESEND（0xFE）表示请求重发，发送ERROR（0xFC）表示命令执行错误。4.3有线PS/2与USB接口兼容性键盘控制器需支持自动检测接口类型，当接入USB主机时自动切换为USBHID模式，接入PS/2主机时自动切换为PS/2模式，无需手动设置。五、功能定义5.1按键扫描与编码5.1.1扫描方式支持行列扫描法，键盘控制器通过依次驱动行线并读取列线状态，检测按键的按下与释放。扫描频率不低于100Hz，确保无按键输入延迟。支持N键翻转（N-KeyRollover）功能，可同时检测任意数量按键的按下状态，避免按键冲突。对于USB接口，需通过HID报告描述符支持全N键翻转；对于PS/2接口，需支持通过命令切换为全N键翻转模式。5.1.2扫描码转换PS/2扫描码：默认采用Set2扫描码集，支持通过主机命令切换为Set1或Set3扫描码集。通码为1字节或2字节，断码在通码前添加0xF0前缀。USB扫描码：符合HID键盘扫描码规范（USBHIDUsageTables1.12），将PS/2扫描码转换为对应的HID使用码（UsageCode），并填充到HID报告中。5.2指示灯控制支持NumLock、CapsLock、ScrollLock三个标准指示灯的控制，主机可通过接口发送命令设置指示灯状态。键盘控制器需提供硬件驱动电路，支持LED指示灯的点亮与熄灭，指示灯亮度可通过电阻配置，默认亮度不低于10cd/m²。指示灯状态需与按键功能同步，如按下CapsLock键后，CapsLock指示灯应立即点亮，再次按下后熄灭。5.3电源管理USB接口：支持USB挂起（Suspend）和唤醒（Resume）功能，当主机进入挂起状态时，键盘控制器自动进入低功耗模式，电流消耗不超过500μA。检测到按键按下时，发送远程唤醒信号唤醒主机。PS/2接口：支持主机发送的电源管理命令，进入低功耗模式时，时钟信号停止输出，电流消耗不超过1mA。检测到按键按下时，恢复时钟信号并发送唤醒数据。本地电源管理：键盘控制器可通过内部定时器实现自动休眠功能，在设定时间（如5分钟）无按键输入时，自动进入低功耗模式，按下任意按键唤醒。5.4扩展功能5.4.1多媒体按键支持多媒体控制按键，如音量加、音量减、静音、播放/暂停、上一曲、下一曲等。对于USB接口，通过自定义HID报告或消费类设备（ConsumerDevice）报告实现；对于PS/2接口，通过扩展扫描码或专用命令实现。5.4.2宏按键支持可编程宏按键，用户可通过软件定义宏命令，键盘控制器存储宏数据并在检测到宏按键按下时，自动发送预定义的按键序列。宏存储容量不低于16KB，支持至少16个自定义宏。5.4.3背光控制支持键盘背光功能，键盘控制器需提供PWM（脉冲宽度调制）输出，用于调节背光亮度和呼吸灯效果。支持通过按键组合或主机命令设置背光亮度等级（如0~100%），默认提供至少5级亮度调节。六、通信协议6.1USBHID协议6.1.1报告描述符报告描述符需定义标准键盘输入报告和输出报告，输入报告用于传输按键数据，输出报告用于控制指示灯状态。示例报告描述符如下：0x05,0x01,//UsagePage(GenericDesktop)0x09,0x06,//Usage(Keyboard)0xA1,0x01,//Collection(Application)0x05,0x07,//UsagePage(Keyboard/Keypad)0x19,0xE0,//UsageMinimum(224)0x29,0xE7,//UsageMaximum(231)0x15,0x00,//LogicalMinimum(0)0x25,0x01,//LogicalMaximum(1)0x75,0x01,//ReportSize(1)0x95,0x08,//ReportCount(8)0x81,0x02,//Input(Data,Var,Abs);Modifierbyte0x95,0x01,//ReportCount(1)0x75,0x08,//ReportSize(8)0x81,0x01,//Input(Cnst,Arr,Abs);Reservedbyte0x95,0x06,//ReportCount(6)0x75,0x08,//ReportSize(8)0x15,0x00,//LogicalMinimum(0)0x25,0x65,//LogicalMaximum(101)0x05,0x07,//UsagePage(Keyboard/Keypad)0x19,0x00,//UsageMinimum(0)0x29,0x65,//UsageMaximum(101)0x81,0x00,//Input(Data,Arr,Abs);Keyarray(6bytes)0x05,0x08,//UsagePage(LEDs)0x19,0x01,//UsageMinimum(1)0x29,0x03,//UsageMaximum(3)0x15,0x00,//LogicalMinimum(0)0x25,0x01,//LogicalMaximum(1)0x75,0x01,//ReportSize(1)0x95,0x03,//ReportCount(3)0x91,0x02,//Output(Data,Var,Abs);LEDreport0x95,0x05,//ReportCount(5)0x75,0x01,//ReportSize(1)0x91,0x01,//Output(Cnst,Arr,Abs);Reservedbits0xC0,//EndCollection6.1.2控制命令支持USB标准请求和HID类请求，包括：GET_DESCRIPTOR：获取设备描述符、配置描述符、HID报告描述符等。SET_CONFIGURATION：设置设备配置参数。SET_IDLE：设置空闲超时时间，当超过超时时间无按键输入时，停止发送空报告。SET_REPORT：发送输出报告，用于控制LED指示灯状态。6.2PS/2协议6.2.1主机命令主机可向键盘控制器发送以下命令：0xFF：重置键盘控制器，键盘控制器执行自检后返回0xAA表示成功，0xFC表示失败。0xFE：请求重发上一个数据帧，当主机接收数据出错时发送。0xF6：设置默认参数，键盘控制器恢复默认扫描码集、重复率等参数。0xF5：禁用键盘，键盘控制器停止发送按键数据，仅响应主机命令。0xF4：启用键盘，键盘控制器恢复发送按键数据。0xF3：设置重复率和延迟时间，后续跟随2字节参数，分别表示延迟时间（250ms、500ms、750ms、1000ms）和重复率（10.9cps~30cps）。0xED：设置LED指示灯状态，后续跟随1字节参数，bit0~bit2分别对应ScrollLock、NumLock、CapsLock指示灯。6.2.2键盘响应键盘控制器对主机命令的响应包括：0xFA：正确接收命令，执行成功。0xFE：命令执行失败，请求主机重发。0xFC：命令不支持或参数错误。0xAA：重置命令执行成功，自检通过。0x00：扫描码为空（无按键事件）。七、机械特性7.1接口连接器USBType-A连接器：符合USB-IF规范，插拔次数不低于1000次，接触电阻不超过20mΩ。USBType-C连接器：符合USB-IF规范，插拔次数不低于10000次，支持正反插功能。PS/2Mini-DIN连接器：插拔次数不低于500次，接触电阻不超过30mΩ。7.2线缆要求USB线缆：采用屏蔽双绞线，特性阻抗为90Ω±15%，长度不超过5m（USB2.0）或3m（USB3.2）。PS/2线缆：采用屏蔽线，CLK和DATA信号线需单独屏蔽，长度不超过2m。7.3环境适应性工作温度：0℃~40℃（商业级），-40℃~85℃（工业级）。存储温度：-40℃~85℃。相对湿度：5%~95%（非冷凝）。振动：符合GB/T2423.10-2019标准，频率范围10Hz~55Hz，加速度1g。冲击：符合GB/T2423.5-2019标准，峰值加速度15g，持续时间11ms。八、测试要求8.1电气性能测试电压测试：测量VCC引脚电压，确保在+5V±5%范围内。电流测试：测量键盘控制器在工作模式、低功耗模式下的电流消耗，符合本规范4.1.1和4.2.1的要求。信号完整性测试：使用示波器测量CLK和DATA信号的上升/下降时间、摆幅、占空比等参数，符合电气特性要求。8.2功能测试按键扫描测试：使用按键测试工具，依次按下每个按键，验证扫描码的正确性和N键翻转功能。指示灯测试：通过主机命令控制指示灯点亮和熄灭，验证指示灯状态与命令的一致性。电源管理测试：模拟主机挂起状态，测量键盘控制器的电流消耗，按下按键验证唤醒功能。扩展功能测试：测试多媒体按键、宏按键、背光控制等扩展功能的正确性。8.