引言

當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的人機(jī)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(shè)計利用FPGA實現(xiàn)對PS/2接口鼠標(biāo)的控制，是在以VGA作為輸出設(shè)備的單片機(jī)系統(tǒng)上初步實現(xiàn)圖形化用戶界面的方案，它成本低、效果好，并且有很強(qiáng)的實用性。

FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的高密度、可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA及其軟件系統(tǒng)是開發(fā)數(shù)字電路的最新技術(shù)，它利用EDA技術(shù)，以電路原理圖、硬件描述語言及狀態(tài)機(jī)等形式輸入設(shè)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(jīng)過一系列變換，將輸入邏輯轉(zhuǎn)換成FPGA器件的編程文件，以實現(xiàn)專用集成電路。本設(shè)計選用Altera公司推出的Cyclone II系列的EP2C5T144C8 FPGA來設(shè)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(xiàn)代的鼠標(biāo)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(jī)提供+5V電源給鼠標(biāo)，鼠標(biāo)的地連接到主機(jī)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(biāo)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(shù)據(jù)線上發(fā)送一位數(shù)據(jù)。在相互傳輸中，主機(jī)擁有總線控制權(quán)，即它可以在任何時候抑制鼠標(biāo)的發(fā)送，方法是把時鐘線一直拉低，鼠標(biāo)就不能產(chǎn)生時鐘信號并發(fā)送數(shù)據(jù)。在兩個方向的傳輸中，時鐘信號都由鼠標(biāo)產(chǎn)生，主機(jī)不產(chǎn)生通信時鐘信號。

圖2 鼠標(biāo)到主機(jī)傳輸時序（略）

如果主機(jī)要發(fā)送數(shù)據(jù)，就必須控制鼠標(biāo)產(chǎn)生時鐘信號，方法如下：主機(jī)首先下拉時鐘線至少100μS抑制通信，然后再下拉數(shù)據(jù)線，最后釋放時鐘線。鼠標(biāo)檢測到這個時序狀態(tài)后，會在10mS內(nèi)產(chǎn)生時鐘信號。如圖3中(Ａ)時序段。主機(jī)和鼠標(biāo)之間，傳輸數(shù)據(jù)幀的時序如圖2、圖3所示。

圖3 主機(jī)到鼠標(biāo)的傳輸時序（略）

PS/2鼠標(biāo)的工作模式和協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

PS/2鼠標(biāo)的四種工作模式

PS/2鼠標(biāo)的四種工作模式分別是：Reset模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或主機(jī)發(fā)復(fù)位命令(0xFF)給它時，進(jìn)入這種模式；Stream模式，鼠標(biāo)的默認(rèn)模式，當(dāng)鼠標(biāo)上電或復(fù)位完成后，自動進(jìn)入此模式，鼠標(biāo)基本上以此模式工作；Remote模式，只有在主機(jī)發(fā)送了模式設(shè)置命令(0xF0)后，鼠標(biāo)才進(jìn)入這種模式；Wrap模式，這種模式只用于測試鼠標(biāo)與主機(jī)連接是否正確。

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

PS/2鼠標(biāo)在工作過程中，會及時把它的狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如表１所示。

表1：鼠標(biāo)發(fā)送數(shù)據(jù)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(jìn)制補(bǔ)碼值；Byte4的低四位表示滾輪的移動計量值，也是二進(jìn)制補(bǔ)碼值，高四位作為擴(kuò)展符號位。這種數(shù)據(jù)包由帶滾輪的三鍵三維鼠標(biāo)產(chǎn)生，若是不帶滾輪的三鍵鼠標(biāo)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包沒有Byte4，其余的相同。

VGA信號時序

圖4所示是計算機(jī)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(fù)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(fù)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(qū)動時序（略）

設(shè)計實現(xiàn)

實現(xiàn)功能

1、 用FPGA實現(xiàn)PS/2鼠標(biāo)接口。

2、鼠標(biāo)左鍵按下時十字形鼠標(biāo)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(fù)位。

設(shè)計原理

主機(jī)復(fù)位后，首先向鼠標(biāo)發(fā)送初始化命令（0xf4）。當(dāng)鼠標(biāo)收到命令字后會給出一個應(yīng)答字節(jié)（0xfa），主機(jī)根據(jù)應(yīng)答字節(jié)來判斷鼠標(biāo)是否正確應(yīng)答。如果應(yīng)答正確則接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包，然后從接收到的數(shù)據(jù)包中獲得鼠標(biāo)位置及狀態(tài)數(shù)據(jù)，并輸出給顯示模塊。顯示模塊在CRT上顯示出當(dāng)前鼠標(biāo)的狀態(tài)和位置，否則，停止處理。如圖5。

如圖6，當(dāng)狀態(tài)機(jī)m2_state復(fù)位時，即進(jìn)入m2_reset狀態(tài)，并在 一個clk周期后進(jìn)入m2_hold_clk_l狀態(tài)，當(dāng)ps2_clk_hi_z（時鐘線）被拉低并保持400μS后進(jìn)入m2_data_low_1狀態(tài)，此時向鼠標(biāo) 發(fā)送起始 位和d[0]、d[1]（d[0]=d[1]=0）。完成后進(jìn)入m2_data_high_1狀態(tài)， 發(fā)送d[2]（d[2]=1）并進(jìn)入m2_data_low_2狀態(tài)，此時向鼠標(biāo)發(fā)送d[3]位（d[3]=0）， 完成發(fā)送進(jìn)入m2_data_high_2狀態(tài)，向鼠標(biāo)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(jìn)入m2_data_low_3狀 態(tài)，向鼠標(biāo)發(fā)送奇偶校驗位，然后進(jìn)入m2_data_high_3狀態(tài)，將數(shù)據(jù)線拉高，等待鼠標(biāo)返回應(yīng)答信號。若PS/2時鐘信號下降沿來臨時，數(shù)據(jù)線仍未變?yōu)楦唠娖?，則進(jìn)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(fù)位，否則進(jìn)入m2_await_response狀態(tài)接收應(yīng)答字，接收完成進(jìn)入m2_verify數(shù)據(jù)校驗，然后進(jìn)入m2_use狀態(tài)，鎖存輸出數(shù)據(jù)，并進(jìn)入m2_wait狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到時鐘下降沿后進(jìn)入m2_gather狀態(tài)，接收鼠標(biāo)數(shù)據(jù)包，接收完成進(jìn)入m2_verify狀態(tài)，此時便形成了數(shù)據(jù)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(fù)位后向鼠標(biāo)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(jī)的9個狀態(tài)實現(xiàn)命令字傳輸，使鼠標(biāo)進(jìn)入"streaming"模式，并等待鼠標(biāo)正確應(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(biāo)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(biāo)正確進(jìn)入"streaming"模式，狀態(tài)極必須等待足夠長的時間，確保鼠標(biāo)正確應(yīng)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(jié)束
-- 位計數(shù)器 （略）
-- 數(shù)據(jù)移位寄存器（略）
-- 看門狗時間計數(shù)器（略）
watchdog_timer_done <= '1' when (watchdog_timer_count=WATCHDOG-1) else '0';
packet_good <= '1'; -- 接收數(shù)據(jù)包有效標(biāo)志
outdata: process (reset, clk) -- 輸出數(shù)據(jù)
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(jié)束語

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

該設(shè)計可以被應(yīng)用到各種需要鼠標(biāo)操作、以VGA作為顯示的嵌入式系統(tǒng)中，從而大大提高人機(jī)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.