小梅哥和你一起深入學(xué)習(xí)FPGA之PS2鍵盤驅(qū)動
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五、 代碼分析
本文引用地址：http://www.biyoush.com/article/278903.htm這里，解碼的關(guān)鍵是PS2接口的時(shí)鐘信號，該時(shí)鐘為異步時(shí)鐘，我們需要通過邊沿檢測的方式來檢測其下降沿，以便根據(jù)下降沿的個(gè)數(shù)來確定每個(gè)時(shí)鐘我們因該做什么，邊沿檢測的電路，前面幾個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)講過很多次了，這里便不再做過多的解釋，貼上代碼即可：
以下是代碼片段：
reg PS2_Clk_Tmp0,PS2_Clk_Tmp1,PS2_Clk_Tmp2,PS2_Clk_Tmp3;
wire nedge_PS2_Clk; /*PS2從機(jī)時(shí)鐘下降沿檢測標(biāo)志信號*/
always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n) begin
PS2_Clk_Tmp0 <= 1'b0;
PS2_Clk_Tmp1 <= 1'b0;
PS2_Clk_Tmp2 <= 1'b0;
PS2_Clk_Tmp3 <= 1'b0;
end
else begin
PS2_Clk_Tmp0 <= PS2_Clk;
PS2_Clk_Tmp1 <= PS2_Clk_Tmp0;
PS2_Clk_Tmp2 <= PS2_Clk_Tmp1;
PS2_Clk_Tmp3 <= PS2_Clk_Tmp2;
end
/*-------獲取PS時(shí)鐘信號的下降沿-------------*/
assign nedge_PS2_Clk = !PS2_Clk_Tmp0 & !PS2_Clk_Tmp1 & PS2_Clk_Tmp2 & PS2_Clk_Tmp3;
一個(gè)PS2的數(shù)據(jù)包總共由11位組成，因此會有11個(gè)時(shí)鐘下降沿，因此我們必須對下降沿的個(gè)數(shù)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，才能保證我們能夠解碼得到正確的數(shù)據(jù)，這里，使用我們的PS2時(shí)鐘下降沿標(biāo)志信號來使能我們的計(jì)數(shù)器自加，當(dāng)計(jì)數(shù)器加到11后，表示一個(gè)數(shù)據(jù)包接收完成，將計(jì)數(shù)器清零，等待下一個(gè)下降沿的到來，相關(guān)代碼如下：
以下是代碼片段：
/*------------PS2時(shí)鐘下降沿個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器-----------------------*/
always @(posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
Cnt1 <= 4'd0;
else if(Cnt1 == 4'd11)
Cnt1 <= 4'd0;
else if(nedge_PS2_Clk)
Cnt1 <= Cnt1 + 1'b1;
接下來，就是根據(jù)時(shí)鐘下降沿的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)，來讀取對應(yīng)位的數(shù)據(jù)了，因?yàn)椴捎昧朔亲枞x值的方式，因此，PS2時(shí)鐘下降沿到來時(shí)，此時(shí)Cnt1執(zhí)行自加1操作，但同時(shí)如果也來用Cnt1的值來確定數(shù)據(jù)位數(shù)，就一定會造成錯(cuò)誤，因?yàn)榇藭r(shí)，Cnt1的加1操作并沒有執(zhí)行，而是會在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來之時(shí)才變，因此，為了保證我們使用的Cnt1的數(shù)據(jù)是已經(jīng)更新了的，我們需要在Cnt1已經(jīng)變化之后再來使用其值做判斷，即在PS2時(shí)鐘下降沿檢測成功后，滯后一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期后再來讀取PS2_Din上的值，比較簡單的操作方式就是將PS2時(shí)鐘下降沿檢測標(biāo)志信號再用寄存器打一拍，對應(yīng)代碼如下：
以下是代碼片段：
always @(posedge Clk)nedge_PS2_Clk_Shift <= nedge_PS2_Clk;
可能這里相對比較難以理解，希望大家結(jié)合仿真結(jié)果自學(xué)揣摩體會。
接下來就是根據(jù)Cnt1的計(jì)數(shù)值來讀取每一位的數(shù)據(jù)了，這部分代碼很簡單，如下所示：
以下是代碼片段：
/*--------------讀取8位數(shù)據(jù)位---------------*/
always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n)
Data_tmp <= 8'd0;
else if(nedge_PS2_Clk_Shift) begin
case(Cnt1)
4'd2:Data_tmp[0] <= PS2_Din;
4'd3:Data_tmp[1] <= PS2_Din;
4'd4:Data_tmp[2] <= PS2_Din;
4'd5:Data_tmp[3] <= PS2_Din;
4'd6:Data_tmp[4] <= PS2_Din;
4'd7:Data_tmp[5] <= PS2_Din;
4'd8:Data_tmp[6] <= PS2_Din;
4'd9:Data_tmp[7] <= PS2_Din;
default:Data_tmp <= Data_tmp;
endcase
end
else
Data_tmp <= Data_tmp;
通過以上操作，我們就能正確的解碼PS2鍵盤發(fā)送過來的每一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)了，但是，這些數(shù)據(jù)代表了什么呢，如果是斷碼標(biāo)志，或者是長碼標(biāo)志，我們又該如何進(jìn)行操作呢，這里，小梅哥先貼上我的處理代碼：
以下是代碼片段：
always @ (posedge Clk or negedge Rst_n)
if(!Rst_n) begin
Break_r <= 1'b0;
Key_Valve <= 10'd0;
Key_Flag <= 1'b0;
Long_Code_r <= 1'b0;
end
else if(Cnt1 == 4'd11) begin
if(Data_tmp == 8'hE0) /*判斷是否為長碼*/
Long_Code_r <= 1'b1; /*將長碼標(biāo)志置1*/
else if(Data_tmp == 8'hF0) /*判斷是否為斷碼*/
Break_r <= 1'b1; /*將斷碼標(biāo)志置1*/
else begin /*檢測到的數(shù)據(jù)為通碼*/
Key_Valve <= {Break_r,Long_Code_r,Data_tmp};/*將長碼標(biāo)志、斷碼標(biāo)志和解碼到的按鍵碼輸出*/
Key_Flag <= 1'b1; /*產(chǎn)生解碼成功標(biāo)志信號*/
Long_Code_r <= 1'b0; /*清零長碼標(biāo)志*/
Break_r <= 1'b0; /*清零斷碼標(biāo)志*/
end
end
else begin
Key_Valve <= Key_Valve;
Key_Flag <= 1'b0;
Break_r <= Break_r;
Long_Code_r <= Long_Code_r;
end
這里，小梅哥使用了兩個(gè)標(biāo)志寄存器，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)完成后，即Cnt1=11時(shí)，就對解碼到到數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果Data_tmp == 8'hE0，則解碼到到數(shù)據(jù)為長碼(擴(kuò)展碼)標(biāo)志，此時(shí)便將長碼標(biāo)志寄存器置1，如果Data_tmp == 8'hF0，則解碼到到數(shù)據(jù)為斷碼標(biāo)志，此時(shí)便將斷碼標(biāo)志寄存器置1。然后，當(dāng)解碼到其他數(shù)據(jù)(如單字節(jié)通碼或雙子節(jié)通碼的第二個(gè)字節(jié))后，便將解碼到的數(shù)據(jù)連同斷碼和長碼標(biāo)志寄存器的狀態(tài)輸出，并給出按鍵檢測成功標(biāo)志(Key_Flag置1)。
六、 仿真分析
為了對小梅哥設(shè)計(jì)的PS2鍵盤解碼驅(qū)動進(jìn)行驗(yàn)證，小梅哥編寫了一個(gè)Testbench來模擬鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，通過觀察鍵盤解碼驅(qū)動的輸出來驗(yàn)證該解碼模塊的正確性，關(guān)于模擬鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)，在一份介紹PS2協(xié)議的手冊中有如下描述：
我推薦仿真鍵盤/鼠標(biāo)采用下面的過程發(fā)送一字節(jié)的數(shù)據(jù)到主機(jī)：
1) 等待Clock線為高電平， 即等待主機(jī)釋放Clock線;
2) 延時(shí)50us;
3) 判斷Clock線是否為高電平?
No―― 跳到第1步;
4) Data線是否為高電平?
No―― 放棄(跳到從主機(jī)讀取字節(jié)的程序中) 。
5) 延遲20us，輸出起始位(0) ， 然后延遲20us， 再拉低Clock線保持40us后釋放Clock線， 形成一個(gè)脈沖;
6) 延時(shí)20us， 測試Clock線是否為高電平?No―― 跳到第1步;
7) 輸出第1個(gè)數(shù)據(jù)位， 然后延時(shí)20us， 再拉低Clock線保持40us后釋放Clock線， 形成一個(gè)脈沖;
8) 重復(fù)6-7步發(fā)送剩下的7個(gè)數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位;
9) 延時(shí)20us， 測試Clock線是否為高電平?
No―― 跳到第1步;
因此，我們的模擬鍵盤發(fā)送數(shù)據(jù)的過程只需要依照上面的流程來即可，這里貼上小梅哥編寫的testbench：
以下是代碼片段：
`timescale 1ns/1ns
module PS2_Key_Board_Driver_tb;
reg Clk;/*system clock*/
reg Rst_n;/*復(fù)位信號*/
reg PS2_Din;/*PS2鍵盤數(shù)據(jù)線*/
reg PS2_Clk;/*PS2鍵盤時(shí)鐘線*/
wire Key_Flag;/*解碼得到鍵值標(biāo)志信號*/
wire [9:0] Key_Valve;/*解碼結(jié)果，其中最高位為通/斷碼識別位，0為通碼，1為斷碼，低八位為碼值*/
PS2_Key_Board_Driver u1(
.Clk(Clk),
.Rst_n(Rst_n),
.PS2_Din(PS2_Din),
.PS2_Clk(PS2_Clk),
.Key_Flag(Key_Flag),
.Key_Valve(Key_Valve)
);
initial begin
Clk = 1;
Rst_n = 0;
PS2_Din = 1;
PS2_Clk = 1;
#200;
Rst_n = 1;
Key_Event(8'h1A); /* Z */
#400;
Key_Event(8'h35); /* X */
#800;
Key_Event(8'h44); /* O */
#1320;
Key_Event(8'h4D); /* P */
#2560;
Key_Event(8'h24); /* E */
#1230;
Key_Event(8'h31); /* N */
#20000;
Long_Key_Event(8'h70); /* "INSERT" */
#400;
Long_Key_Event(8'h6c); /* "HOME" */
#800;
Long_Key_Event(8'h7d); /* "PAGE UP" */
#1320;
Long_Key_Event(8'h71); /* "DELETE" */
#2560;
Long_Key_Event(8'h69); /* "END" */
#1230;
Long_Key_Event(8'h7a); /* "PAGE DOWN" */
#2000000;
$stop;
end
/*---------生成工作時(shí)鐘-----------*/
always #10 Clk = ~Clk;
/*----任務(wù)：以PS2協(xié)議發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)-----*/
task Send_data;
input [7:0]Data;
begin
PS2_Din = 0; /*發(fā)送起始位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[0];/*發(fā)送第0位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[1];/*發(fā)送第1位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[2];/*發(fā)送第2位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[3];/*發(fā)送第3位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[4];/*發(fā)送第4位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[5];/*發(fā)送第5位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[6];/*發(fā)送第6位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = Data[7];/*發(fā)送第7位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = 0;/*暫時(shí)忽略校驗(yàn)位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
#20000;PS2_Din = 1;/*停止位*/
#20000;PS2_Clk = 0;
#40000;PS2_Clk = 1;
end
endtask
/*-----任務(wù)：模擬按下按鍵的操作------*/
task press_key;
input [7:0]Key_Number;
begin
Send_data(Key_Number);
#50000;
end
endtask
/*-----任務(wù)：模擬釋放按鍵的操作------*/
task release_key;
input [7:0]Key_Number;
begin
Send_data(8'hF0);
#50000;
Send_data(Key_Number);
#50000;
end
endtask
/*----任務(wù)：模擬一次短碼的按下和釋放操作-----*/
task Key_Event;
input [7:0]Key_Number;
begin
press_key(Key_Number);
#30000;
release_key(Key_Number);
end
endtask
/*----任務(wù)：模擬一次長碼的按下和釋放操作-----*/
task Long_Key_Event;
input [7:0]Key_Number;
begin
press_key(8'he0);
#30000;
press_key(Key_Number);
#30000;
press_key(8'he0);
#30000;
release_key(Key_Number);
end
endtask
endmodule
testbench中使用了一個(gè)主任務(wù)來模擬鍵盤的數(shù)據(jù)發(fā)送，并使用了其他幾個(gè)基于此任務(wù)的任務(wù)來模擬按鍵按下、按鍵釋放、普通按鍵按下+釋放、擴(kuò)展按鍵按下+釋放的過程，通過模擬進(jìn)行部分按鍵的按下和釋放操作，來觀察解碼模塊的結(jié)果，便可獲知解碼是否成功。
以下為小梅哥的仿真結(jié)果，與我發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，因此表明我的PS2解碼是成功的。
七、 下板驗(yàn)證
這里，小梅哥在至芯科技ZX2的板子上驗(yàn)證通過，如下圖：
其中，第三個(gè)數(shù)碼管，為0表示普通按鍵通碼，為2表示普通按鍵斷碼，為1表示擴(kuò)展按鍵通碼，為3表示擴(kuò)展按鍵斷碼。
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