用于NIOS II 嵌入式處理器系統(tǒng)的鼠標控制器設計

隨著芯片制造技術的發(fā)展，SOPC（可編程單芯片系統(tǒng)）已成為嵌入式系統(tǒng)設計的一個發(fā)展方向。Altera公司推出的NIOS II嵌入式處理器系統(tǒng)，是目前比較流行的SOPC。它通常由NIOS II處理器、Avalon總線結構和各種外圍設備（包括SDRAM控制器、DMA、CF卡控制器以及用戶自己設計的外圍設備[1]等）的IP核三部分組成[2]，Altera的SOPC builder系統(tǒng)開發(fā)工具可以自動生成這些組件以及聯(lián)結它們的總線。近些年來，NIOS II嵌入式處理器系統(tǒng)由于具有較高的性能，很好的設計靈活性，在嵌入式領域中的應用越來越廣泛。另一方面，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，鼠標在嵌入式系統(tǒng)中的應用越來越多。本文介紹了一個鼠標控制器的設計，不但支持標準PS/2（IBM PS/2）鼠標，還支持微軟的Intellimouse，相比目前多數(shù)采用的另外加一個單片機作為鼠標控制器的方式減少了系統(tǒng)成本，可以在采用NIOS II處理器的嵌入式系統(tǒng)中應用。

1、鼠標控制器的設計

        本文所介紹的鼠標控制器是一個Avalon從模式設備，遵循Avalon總線接口規(guī)范，并遵循PS/2通訊協(xié)議。

1.1 Avalon 總線從端口接口信號

        Avalon總線規(guī)范定義了外設可以包含的各種信號類型（例如地址、數(shù)據(jù)、時鐘等）[3]。本文所設計的鼠標控制器是一個從模式設備, 它和Avalon總線通過從端口信號連接。部分Avalon從端口信號的方向和說明如表1所示。信號的方向是從外設的角度定義的。

表1  部分Avalon 從端口信號說明

１.2 PS/2通訊協(xié)議簡介

　　PS/2通訊協(xié)議[4]是一種雙向同步串行通訊協(xié)議。通訊的兩端通過時鐘線同步，并通過數(shù)據(jù)線交換數(shù)據(jù)。

        標準PS/2 鼠標支持X方向（左右）位移，Y方向（上下）位移，并支持左鍵，中鍵和右鍵。它發(fā)送位移和按鍵信息給主機采用3字節(jié)數(shù)據(jù)幀格式(表2所示的4字節(jié)數(shù)據(jù)中的前3個字節(jié))。微軟的Intellimouse是對標準PS/2 鼠標的擴展。它支持五個鼠標按鍵和三個位移軸，左右，上下和滾輪（Z方向）。缺省情況下工作方式和標準的PS/2 鼠標類似。要進入滾輪模式主機應該發(fā)送如下的命令序列：

　　設置采樣速率（0xf3） 200（0xc8）
　　設置采樣速率（0xf3） 100（0x64）
　　設置采樣速率（0xf3） 80 （0x50）

        在滾輪模式下鼠標使用4字節(jié)的數(shù)據(jù)幀格式，如表2所示。

        另外，鼠標上電后會載入缺省設置，其中之一是數(shù)據(jù)報告被禁止。要讓鼠標開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機應發(fā)送0xF4（使能鼠標）命令給鼠標。

表2  微軟的Intellimouse的數(shù)據(jù)幀格式

１.3 鼠標控制器的設計實現(xiàn)

         本文所提出的鼠標控制器是一個Avalon從模式設備，硬件結構如圖1所示：

圖１ 硬件結構圖

        其設計由兩個文件組成，msmouse.v和ps2_mouse_interface.v。其中，msmouse.v是頂層文件，它定義了整個鼠標控制器模塊和Avalon總線及外設的接口信號，這個文件的部分代碼如下：

module msmouse(clk,rst,irq,chipselect,read,write,address,readdata,writedata,
ps2_clk,ps2_data);
reg [31:0] command_reg; // address 00
wire [31:0] state; // address 01
wire [31:0] mouse_data; // address 10
wire [31:0] response_data;// address 11

wire wacc = chipselect & write;
wire racc = chipselect & read;
wire rx_read = (racc && (address != 2’b00)) ? 1:0 ;
wire rx_write = (wacc && (address == 2’b00)) ? 1:0 ;
assign mouse_data = {data_ready, 2’h0, left_button, right_button, middle_button, x_increment, y_increment, z_increment};
assign response_data = {write_ack, write_response};
assign state = {30’h0, write_sync , error_no_ack};
ps2_mouse_interface the_ps2(
.clk(clk64),
.left_button(left_button),
.x_increment(x_increment),
.write_data(command_reg[7:0]),
…… ……
.write_response(write_response),
.msmode(msmode),
.error_no_ack(error_no_ack)
);
endmodule

　　在msmouse的接口信號中，clk、rst、 chipselect等是和Avalon總線的接口信號。ps2_clk和ps2_data是和鼠標的接口信號，這兩個信號是雙向的（inout類型）。為了和總線模塊進行數(shù)據(jù)交互，我們定義了四個32位寄存器，command_reg、state、 mouse_data和response_data。它們的偏移地址依次為0、1、2、3,根據(jù)address[1:0]的值決定要寫入或讀取哪一個寄存器。其中command_reg中存儲主機要發(fā)給鼠標的命令；state反映鼠標的狀態(tài)信息；mouse_data包含鼠標的3個按鍵信息及在X方向，Y方向和滾輪的位移信息，其最高位表示數(shù)據(jù)是否有效；response_data里包含了主機發(fā)送命令給鼠標后鼠標的回應信息，其最高位也表示數(shù)據(jù)是否有效。這四個寄存器通過ps2_mouse_interface元件中的x_increment和write_response 等接口信號和鼠標接口進行數(shù)據(jù)傳送。msmode信號決定鼠標是在標準PS/2模式或Intellimouse模式。另外，為了讓下文所述的狀態(tài)機正常工作，我們在這個文件中對系統(tǒng)時鐘進行了1/64分頻，作為ps2_mouse_interface元件的時鐘。

　　在ps2_mouse_interface.v中，我們通過一個狀態(tài)機實現(xiàn)主機和鼠標之間的通訊。其狀態(tài)轉換圖如圖2所示。系統(tǒng)重啟之后,主機發(fā)送命令F4使能鼠標，鼠標響應后進入等待狀態(tài)。如果鼠標有位移或按鍵事件發(fā)生，則進入收集數(shù)據(jù)狀態(tài)。等數(shù)據(jù)收集結束并驗證符合數(shù)據(jù)幀格式后輸出，否則重新回到等待狀態(tài)。如果在規(guī)定時間沒有收到完整的一幀數(shù)據(jù)，則重新使能鼠標。在等待狀態(tài)下主機也可對鼠標發(fā)送命令，然后等待鼠標的響應，并把響應數(shù)據(jù)輸出。

由于標準PS/2模式和微軟的Intellimouse模式數(shù)據(jù)幀格式不同，因此要收集的數(shù)據(jù)位位數(shù)和數(shù)據(jù)幀格式的驗證在兩種模式下是不同的。我們采用如下代碼驗證在兩種模式下收到的數(shù)據(jù)幀是否有效：

assign packet_good = (~msmode)?
(
(q[0] == 0) && (q[11] == 0) && (q[22] == 0) // 起始位
&& (q[10] == 1)&& (q[21] == 1) && (q[32] == 1) // 停止位
&& (q[9] == ~^q[8:1]) && (q[20] == ~^q[19:12])
&& (q[31] == ~^q[30:23]) // 奇偶校驗位
):
(
(q[0] == 0) && (q[11] == 0) && (q[22] == 0) && (q[33] == 0) //起始位
&& (q[10] == 1) && (q[21] == 1) && (q[32] == 1) && (q[43] == 1) //停止位
&& (q[9] == ~^q[8:1]) && (q[20] == ~^q[19:12])
&& (q[31] == ~^q[30:23]) &&(q[42] == ~^q[41:34]) //奇偶校驗位
);

        q是從鼠標收到的數(shù)據(jù)，它的q[0]，q[11]等是起始位，應為邏輯0；q[10]，q[21]等是停止位，應是邏輯1；q[9]，q[20]等為奇偶校驗位。在驗證數(shù)據(jù)幀狀態(tài)下根據(jù)測試得到的packet_good信號值確定是跳轉到等待狀態(tài)還是輸出數(shù)據(jù)幀狀態(tài)。

        該鼠標控制器缺省狀態(tài)為標準PS/2模式，要進入微軟的Intellimouse只需向鼠標發(fā)送前文（見1.2）所提到的命令序列，并將msmode置為邏輯1即可。

2、鼠標控制器的驗證

        我們在一個使用Altera公司的Cyclone系列[5]的 EP1C6Q240C8 芯片的開發(fā)板上對該設計進行了驗證。在NiosII IDE集成開發(fā)環(huán)境[6]中我們編寫了一個測試程序。其部分代碼如下所示，它的作用是等待鼠標事件的發(fā)生并打印鼠標事件信息。

while (wait_rx_ready(0,PS2_READY,PS2_MOUSEDATA,&data) < 0);
if ((data & PS2_RBUTTON)){
printf("RBUTTON......\n");}
else if ((data & PS2_LBUTTON)) {
printf("LBUTTON......\n");}
else if((data & PS2_MBUTTON)) {
printf("MBUTTON......\n");}
else {
xdata = (data & PS2_XMASK) >> PS2_XSHIFT;
ydata = (data & PS2_YMASK) >> PS2_YSHIFT;
zdata = (data & PS2_ZMASK) >> PS2_ZSHIFT;
printf("x: %d, y: %d, z: %d\n", xdata, ydata, zdata);
}

         我們測試了一個帶滾輪的雙飛燕光電鼠標和一個不帶滾輪的飛利浦的機械鼠標。測試中，當我們分別按下鼠標左鍵，右鍵，及中鍵；或在水平方向，豎直方向移動鼠標；或者轉動滾輪時，程序都會在NiosII IDE的Console窗口連續(xù)的打印出相應的信息。滿足了我們支持標準PS/2（IBM PS/2）和微軟的Intellimouse兩種模式的要求。結果證明，本文所提出的設計是成功的。

3、結束語

        本文介紹了一個用于Nios II處理器系統(tǒng)的鼠標控制器的設計，支持標準PS/2 鼠標和微軟的Intellimouse。相比于其他嵌入式系統(tǒng)中采用另外增加一個單片機（如一般采用的Intel8042或AT89C51[7]等）作為鼠標控制器來說，減少了系統(tǒng)成本，也減少硬件布板布線的復雜性，可以在Nios II處理器系統(tǒng)中廣泛使用。

        該設計最大的創(chuàng)新點在于增加了讀取鼠標響應的功能，并實現(xiàn)了主機向鼠標發(fā)送命令，在此基礎上實現(xiàn)了對微軟的Intellimouse的支持,相比參考文獻[8]中提到的2D鼠標控制器有較大的改進。