基于FPGA的PS/2鼠標接口設計方法及其應用

引言

當前嵌入式系統(tǒng)技術已得到了廣泛應用，但傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的人機接口多采用小鍵盤操作的文本菜單方式，用戶操作較為不便。本設計利用FPGA實現對PS/2接口鼠標的控制，是在以VGA作為輸出設備的單片機系統(tǒng)上初步實現圖形化用戶界面的方案，它成本低、效果好，并且有很強的實用性。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20世紀80年代中期出現的高密度、可編程邏輯器件，FPGA及其軟件系統(tǒng)是開發(fā)數字電路的最新技術，它利用EDA技術，以電路原理圖、硬件描述語言及狀態(tài)機等形式輸入設計邏輯，提供功能模擬、時序仿真等模擬手段，在功能模擬和時序仿真度滿足要求后，經過一系列變換，將輸入邏輯轉換成FPGA器件的編程文件，以實現專用集成電路。本設計選用Altera公司推出的Cyclone II系列的EP2C5T144C8 FPGA來設計PS/2接口，體積減小，可靠性提高。

PS/2接口和協(xié)議

接口的物理特性

PS/2接口用于許多現代的鼠標和鍵盤，由IBM最初開發(fā)和使用。物理上的PS/2接口有兩種類型的連接 器 ：5腳的DIN和６腳的MINI-DIN。圖1就是兩種連接器的引腳定義。使用中，主機提供+5V電源給鼠標，鼠標的地連接到主機電源地上。

圖1 PS/2接口連接器引腳定義（略）

接口協(xié)議原理

PS/2鼠標接口采用一種雙向同步串行協(xié)議，即每在時鐘線上發(fā)一個脈沖，就在數據線上發(fā)送一位數據。在相互傳輸中，主機擁有總線控制權，即它可以在任何時候抑制鼠標的發(fā)送，方法是把時鐘線一直拉低，鼠標就不能產生時鐘信號并發(fā)送數據。在兩個方向的傳輸中，時鐘信號都由鼠標產生，主機不產生通信時鐘信號。

圖2 鼠標到主機傳輸時序（略）

如果主機要發(fā)送數據，就必須控制鼠標產生時鐘信號，方法如下：主機首先下拉時鐘線至少100μS抑制通信，然后再下拉數據線，最后釋放時鐘線。鼠標檢測到這個時序狀態(tài)后，會在10mS內產生時鐘信號。如圖3中(Ａ)時序段。主機和鼠標之間，傳輸數據幀的時序如圖2、圖3所示。

圖3 主機到鼠標的傳輸時序（略）

PS/2鼠標的工作模式和協(xié)議數據包格式

PS/2鼠標的四種工作模式

PS/2鼠標的四種工作模式分別是：Reset模式，當鼠標上電或主機發(fā)復位命令(0xFF)給它時，進入這種模式；Stream模式，鼠標的默認模式，當鼠標上電或復位完成后，自動進入此模式，鼠標基本上以此模式工作；Remote模式，只有在主機發(fā)送了模式設置命令(0xF0)后，鼠標才進入這種模式；Wrap模式，這種模式只用于測試鼠標與主機連接是否正確。

數據包結構

PS/2鼠標在工作過程中，會及時把它的狀態(tài)數據發(fā)送給主機。發(fā)送的數據包格式如表１所示。

表1：鼠標發(fā)送數據格式（略）

Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分別表示左、右、中鍵的狀態(tài)，狀態(tài)值０表示釋放，１表示按下；Byte2和Byte3分別表示Ｘ軸和Ｙ軸方向的移動計量值，是二進制補碼值；Byte4的低四位表示滾輪的移動計量值，也是二進制補碼值，高四位作為擴展符號位。這種數據包由帶滾輪的三鍵三維鼠標產生，若是不帶滾輪的三鍵鼠標，產生的數據包沒有Byte4，其余的相同。

VGA信號時序

圖4所示是計算機VGA（640×480，60Hz）圖像格式的信號時序圖，其點時鐘DCLK為25．175MHz，場頻為59．94Hz。圖中，Vsync為場同步信號，場周期Tvsync為16．683mS，每場有525行，其中480行為有效顯示行，45行為場消隱期。場同步信號Vs每場有一個脈沖，該脈沖的低電平寬度twv為63μS（2行）。場 消隱期包括場同步時間twv、場消隱前肩tHV（13行）和場消隱后肩tVH（30行），共45行。行周期THSYNC為31．78μS，每顯示行包 括800點，其中640點為有效顯示，160點為行消隱期（非顯示 區(qū)）。行同步信號Hs每行有一個脈沖，該脈沖的低電平寬度tWH為3．81μS（即96個DCLK）；行消隱期包括行同步時間tWH，行消隱前肩tHC（19個DCLK）和行消隱后肩tCH（45個DCLK），共160個點時鐘。復合消隱信號是行消隱信號和場消隱信號的邏輯與，在有效顯示期復合消隱信號為高電平，在非顯示區(qū)域它是低電平。

圖4 VGA顯示驅動時序（略）

設計實現

實現功能

1、 用FPGA實現PS/2鼠標接口。

2、鼠標左鍵按下時十字形鼠標圖象的中間方塊改變顏色，右鍵按下時箭頭改變顏色。

3、 Reset按鍵：總復位。

設計原理

主機復位后，首先向鼠標發(fā)送初始化命令（0xf4）。當鼠標收到命令字后會給出一個應答字節(jié)（0xfa），主機根據應答字節(jié)來判斷鼠標是否正確應答。如果應答正確則接收鼠標數據包，然后從接收到的數據包中獲得鼠標位置及狀態(tài)數據，并輸出給顯示模塊。顯示模塊在CRT上顯示出當前鼠標的狀態(tài)和位置，否則，停止處理。如圖5。

如圖6，當狀態(tài)機m2_state復位時，即進入m2_reset狀態(tài)，并在 一個clk周期后進入m2_hold_clk_l狀態(tài)，當ps2_clk_hi_z（時鐘線）被拉低并保持400μS后進入m2_data_low_1狀態(tài)，此時向鼠標 發(fā)送起始 位和d[0]、d[1]（d[0]=d[1]=0）。完成后進入m2_data_high_1狀態(tài)， 發(fā)送d[2]（d[2]=1）并進入m2_data_low_2狀態(tài)，此時向鼠標發(fā)送d[3]位（d[3]=0）， 完成發(fā)送進入m2_data_high_2狀態(tài)，向鼠標發(fā)送d[4]、d[5]、d[6]、d[7]（d[4]=d[5]=d[6]=d[7]=1），完成發(fā)送進入m2_data_low_3狀 態(tài)，向鼠標發(fā)送奇偶校驗位，然后進入m2_data_high_3狀態(tài)，將數據線拉高，等待鼠標返回應答信號。若PS/2時鐘信號下降沿來臨時，數據線仍未變?yōu)楦唠娖?，則進入m2_error_no_ack狀態(tài)，此時握手失敗，系統(tǒng)將保持m2_error_no_ack狀態(tài)直到下一次復位，否則進入m2_await_response狀態(tài)接收應答字，接收完成進入m2_verify數據校驗，然后進入m2_use狀態(tài)，鎖存輸出數據，并進入m2_wait狀態(tài)，等待接收數據。當檢測到時鐘下降沿后進入m2_gather狀態(tài)，接收鼠標數據包，接收完成進入m2_verify狀態(tài)，此時便形成了數據接收循環(huán)。

PS/2程序源碼

entity mouse is
Port (clk : in std_logic; reset : in std_logic; ps2_clk : inout std_logic; ps2_data : inout std_logic; left_button : out std_logic; right_button : out std_logic; mousex: buffer std_logic_vector(9 downto 0); mousey: buffer std_logic_vector(9 downto 0); data_ready : out std_logic; error_no_ack : out std_logic);
end mouse;
architecture Behavioral of mouse is
--變量、信號定義（略）
begin
ps2_clk <= '0' when ps2_clk_hi_z='0' else 'Z';
ps2_data <= '0' when ps2_data_hi_z='0' else 'Z';
--檢測ps2clk上升沿和下降沿（略）
m2statech: process (reset, clk) ------------------m2 狀態(tài)
begin
if (reset='0') then
m2_state <= m2_reset;
elsif (clk'event and clk='1') then
m2_state <= m2_next_state;
end if;
end process;
--m2 狀態(tài)傳輸邏輯
m2statetr: process (m2_state, q, fall,rise,watchdog_timer_done,bitcount,ps2_data,packet_good)
begin
ps2_clk_hi_z <= '1';
ps2_data_hi_z <= '1';
error_no_ack <= '0';
output_strobe <= '0';
case m2_state is
when m2_reset => -- 復位后向鼠標發(fā)送命令字
m2_next_state <= m2_hold_clk_l;
when m2_wait =>
if (fall='1') then
m2_next_state <= m2_gather;
else
m2_next_state <= m2_wait;
end if;
when m2_gather =>
if ((watchdog_timer_done='1') and (bitcount=TOTAL_BITS))then
m2_next_state <= m2_verify;
else
m2_next_state <= m2_gather;
end if;
when m2_verify =>
--if (bitcount < TOTAL_BITS) then
--m2_next_state <= m2_wait;
--else
m2_next_state <= m2_use;
--end if;
when m2_use =>
output_strobe <= '1';
m2_next_state <= m2_wait;
-- 用狀態(tài)機的9個狀態(tài)實現命令字傳輸，使鼠標進入"streaming"模式，并等待鼠標正確應答
when m2_hold_clk_l =>
ps2_clk_hi_z <= '0'; -- 啟動看門狗!
if (watchdog_timer_done='1') then
m2_next_state <= m2_data_low_1;
else
m2_next_state <= m2_hold_clk_l;
end if;
when m2_data_low_1 =>
ps2_data_hi_z <= '0'; -- 數據位 開始位, d[0] and d[1]
if (fall='1' and (bitcount = 2)) then
m2_next_state <= m2_data_high_1;
else
m2_next_state <= m2_data_low_1;
end if;
when m2_data_high_1 =>
ps2_data_hi_z <= '1'; -- 數據位 d[2]
if (fall='1' and (bitcount = 3)) then
m2_next_state <= m2_data_low_2;
else
m2_next_state <= m2_data_high_1;
end if;
when m2_data_low_2 =>
ps2_data_hi_z <= '0'; -- 數據位 d[3]
if (fall='1' and (bitcount = 4)) then
m2_next_state <= m2_data_high_2;
else
m2_next_state <= m2_data_low_2;
end if;
when m2_data_high_2 =>
ps2_data_hi_z <= '1'; -- 數據位 d[4],d[5],d[6],d[7]
if (fall='1' and (bitcount = 8)) then
m2_next_state <= m2_data_low_3;
else
m2_next_state <= m2_data_high_2;
end if;
when m2_data_low_3 =>
ps2_data_hi_z <= '0'; -- 奇偶校驗位
if (fall='1') then
m2_next_state <= m2_data_high_3;
else
m2_next_state <= m2_data_low_3;
end if;
when m2_data_high_3 =>
ps2_data_hi_z <= '1'; -- 允許鼠標拉成低電平(ACK脈沖)
if (fall='1' and (ps2_data='1')) then
m2_next_state <= m2_error_no_ack;
elsif (fall='1' and (ps2_data='0')) then
m2_next_state <= m2_await_response;
else
m2_next_state <= m2_data_high_3;
end if;
when m2_error_no_ack =>
error_no_ack <= '1';
m2_next_state <= m2_error_no_ack;

-- 為了鼠標正確進入"streaming"模式，狀態(tài)極必須等待足夠長的時間，確保鼠標正確應答0xFA。

when m2_await_response =>
--if (bitcount = 22) then
m2_next_state <= m2_verify;
--else
-- m2_next_state <= m2_await_response;
--end if;
when others => m2_next_state <= m2_wait;
end case;
end process;-----------------------------m2 狀態(tài)結束
-- 位計數器 （略）
-- 數據移位寄存器（略）
-- 看門狗時間計數器（略）
watchdog_timer_done <= '1' when (watchdog_timer_count=WATCHDOG-1) else '0';
packet_good <= '1'; -- 接收數據包有效標志
outdata: process (reset, clk) -- 輸出數據
begin
if (reset='0') then
left_button <= '0';
right_button <= '0';
elsif (clk'event and clk='1') then
if (output_strobe='1') then
left_button <= q(1);
right_button <= q(2);
mouseyy <= not (q(6) & q(6) & q(30 downto 23)) + "1";
end if;
end if;
end process;
cordinatex: process (reset, clk)
begin
if (reset='0') then
mousex <= "0110010000"; -- 400
elsif (clk'event and clk='1') then
if (output_strobe='1') then
if ((mousex >= 797 and q(5)='0') or (mousex <= 2 and
q(5)='1')) then
mousex <= mousex;
else
mousex <= mousex + (q(5) & q(5) & q(19 downto
12));--q(5):xsign q(6):ysign
end if;
end if;
end if;
end process;
cordinatey: process (reset, clk)
begin
if (reset='0') then
mousey <= "0100101100"; -- 300
elsif (clk'event and clk='1') then
if (output_strobe='1') then
if ((mousey >= 597 and q(6)='1') or (mousey <= 2
and q(6)='0')) then
mousey <= mousey;
else
m ousey <= mousey + mouseyy; --(q(6) & q(6) & q(30
downto 23));
end if;
end if;
end if;
end process;
data_ready <= output_strobe;
end Behavioral;

結束語

該設計采用了清華大學THCII-1創(chuàng)新SoPC實驗套件進行綜合、仿真和下載，測試得到了滿意的效果，完整地實現了對PS/2和VGA的時序驅動。

該設計可以被應用到各種需要鼠標操作、以VGA作為顯示的嵌入式系統(tǒng)中，從而大大提高人機交互能力，降低了開發(fā)成本，提高了開發(fā)效率，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性也得到了可靠的保障。

[1].VGAdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/VGA_2568786.html.
[2].60Hzdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/60Hz_2517196.html.
[3].CRTdatasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/CRT_2331578.html.
[4].m2 datasheethttp://www.dzsc.com/datasheet/m2+_2039448.html.