PS/2 Tastatur

nospam@example.com (Lothar Miller) — Tue, 26 Oct 2010 08:07:18 +0200

Zur Eingabe von Daten bietet sich eine PS/2 Tastatur an. Die Dinger gibts für ein paar Euros und das Protokoll ist in der einfachsten Variante sehr überschaubar.

Ich habe hier mehrere Implementationen: die Erste ist sehr einfach gehalten und gibt alle empfangenen Scancodes incl. Break und Extended Keycodes einfach mit einem Handshake weiter an ein übergeordnetes Modul:

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity PS2_Keyboard is
    Port ( PS2_Data    : in  std_logic;
           PS2_Clk     : in  std_logic;
           RxData      : out std_logic_vector(7 downto 0);
           RxActive    : out std_logic;
           DataReady   : out std_logic; -- Handshake-Signal: Daten bereit
           DataFetched : in  std_logic; -- Handshake-signal: Daten übernommen
           CLK         : in  std_logic);
end PS2_Keyboard;

architecture Behavioral of PS2_Keyboard is
signal RxTimeout   : integer range 0 to 500000 := 0; -- max. 10ms
signal RxRegister  : std_logic_vector(10 downto 0) := (others=>'1');
signal DataSR      : std_logic_vector(1 downto 0)  := (others=>'1');
signal ClkSR       : std_logic_vector(1 downto 0)  := (others=>'1');
type PS2RXStateType is (IDLE, RECEIVE, READY); 
signal PS2RXState : PS2RXStateType := IDLE;

begin
   process begin
      wait until rising_edge(CLK);
      RxTimeout <= RxTimeout+1;
      
      DataSR    <= DataSR(0) & PS2_Data;
      ClkSR     <= ClkSR(0)  & PS2_Clk;
      
      if (ClkSR = "10") then -- fallende Flanke am PS2_CLK
         RxRegister <= DataSR(1) & RxRegister(10 downto 1);
      end if;

      case PS2RXState is
      when IDLE =>
         RxRegister <= (others=>'1');
         RxActive   <= '0';
         DataReady  <= '0';
         RxTimeout  <= 0;
         if (DataSR(1) = '0' and ClkSR(1) = '1') then -- STARTBIT erkannt
            PS2RXState <= RECEIVE;
            RxActive   <= '1';       
         end if;
      when RECEIVE =>
         if (RxTimeout = 500000) then     -- 10 ms
            PS2RXState <= IDLE;
         elsif (RxRegister(0) = '0') then -- Startbit ganz durchgeschoben?
            DataReady  <= '1';            -- SCANCODE empfangen
            RxData     <= RxRegister(8 downto 1);
            PS2RXState <= READY;
         end if;
      when READY =>                       -- warten, bis Daten abgeholt sind
         if (DataFetched='1') then
            PS2RXState <= IDLE;
            DataReady  <= '0';
            RxActive   <= '0';            
         end if;
      end case;
   end process;
end Behavioral;

Realisiert wurde dieses PS/2 Interface in Form eines 11 Bit breiten Schieberegisters, das zu Beginn im Zustand IDLE mit '1'en vorbelegt wird. Mit jeder fallenden Flanke am PS2-Clk wird dieses Schieberegister um 1 Bit von links her weitergeschoben. In das MSB wird dabei der Zustand des einsynchronisierten PS2-Data Pins eingetragen.
Nachdem ein Startbit erkannt wurde, wechselt der Zustand auf RECEIVE und es werden solange Bits eingeschoben, bis das Startbit das rechte Ende (Bit0) des Schieberegisters erreicht hat. Dann werden die Daten in das Pufferregister übernommen und im Zustand READY gewartet, bis die Daten abgeholt sind.

Zusammen mit dieser Testbench:

LIBRARY ieee;
USE ieee.std_logic_1164.ALL;
USE ieee.numeric_std.ALL;
 
ENTITY PS2_tb IS
END PS2_tb;
 
ARCHITECTURE behavior OF PS2_tb IS 
 
   procedure PS2Send( signal din :  in std_logic_vector(7 downto 0); 
                      signal ps2c : OUT std_logic;
                      signal ps2d : OUT std_logic) is
   variable parity : std_logic := '1';
   begin
      wait for 1 ns;
      ps2c  <= '1';
      ps2d  <= '1';
      wait for 5us;
      ps2d  <= '0';  -- startbit
      wait for 20us;
      ps2c  <= '0';
      wait for 40us;
      ps2c  <= '1';
      wait for 20us;
      
      parity := '1';
      for i in 0 to 7 loop
         ps2d <= din(i);
         if(din(i)='1') then 
            parity := not parity; 
         end if;
         wait for 20us;
         ps2c  <= '0';
         wait for 40us;
         ps2c  <= '1';
         wait for 20us;
      end loop;
      
      ps2d <= parity;  -- parity
      wait for 20us;
      ps2c  <= '0';
      wait for 40us;
      ps2c  <= '1';
      wait for 20us;
   
      ps2d <= '1';     -- stopbit
      wait for 20us;
      ps2c  <= '0';
      wait for 40us;
      ps2c  <= '1';
      wait for 20us;
   end procedure;
   
    -- Component Declaration for the Unit Under Test (UUT)
    COMPONENT PS2_Keyboard
    PORT(
         PS2_Data : IN  std_logic;
         PS2_Clk : IN  std_logic;
         RxData : OUT  std_logic_vector(7 downto 0);
         RxActive : OUT  std_logic;
         DataReady : OUT  std_logic;
         DataFetched : IN  std_logic;
         CLK : IN  std_logic
        );
    END COMPONENT;
    
   signal TxData : std_logic_vector(7 downto 0);

   --Inputs
   signal PS2_Data : std_logic := '1';
   signal PS2_Clk : std_logic := '1';
   signal DataFetched : std_logic := '0';
   signal CLK : std_logic := '0';

    --Outputs
   signal RxData : std_logic_vector(7 downto 0);
   signal RxActive : std_logic;
   signal DataReady : std_logic;

   -- Clock period definitions
   constant CLK_period : time := 20 ns; -- 50MHz
 
BEGIN
 
   -- Instantiate the Unit Under Test (UUT)
   uut: PS2_Keyboard PORT MAP (
          PS2_Data => PS2_Data,
          PS2_Clk => PS2_Clk,
          RxData => RxData,
          RxActive => RxActive,
          DataReady => DataReady,
          DataFetched => DataFetched,
          CLK => CLK
        );

   -- Clock process definitions
   CLK <= not CLK after CLK_period/2;

   -- Stimulus process
   DataFetched <= DataReady after 10 us; -- fake handshake
   
   stim_proc: process
   begin      
      -- hold reset state for 100 ns.
      wait for 100 ns;   
      
      TXData<=x"AA";
      PS2Send(TXData,PS2_Clk,PS2_Data);
      wait for 100 us;   

      TXData<=x"55";
      PS2Send(TXData,PS2_Clk,PS2_Data);
      wait for 100 us;   

      TXData<=x"11";
      PS2Send(TXData,PS2_Clk,PS2_Data);
      wait for 100 us;   

      TXData<=x"80";
      PS2Send(TXData,PS2_Clk,PS2_Data);
      wait for 100 us;   

      TXData<=x"01";
      PS2Send(TXData,PS2_Clk,PS2_Data);
      wait for 100 us;   

      TXData<=x"C3";
      PS2Send(TXData,PS2_Clk,PS2_Data);
      wait for 100 us;   
      
      wait;
   end process;
END;

ergibt sich dann folgende Waveform:

Waveform Simulation PS2 Interface

Hier die zusammengepackte Quelldatei und die passende Testbench:
Download PS2_Simplest.zip

In der zweiten Variante werden die Steuerkommandos (Break und Extended Keycode) in Flags umgewandelt:
Download PS2_Simple.zip

Die dritte Variante schliesslich erlaubt auch das Senden von Kommandos an die Tastatur. Damit können dann z.B. die LEDs auf der Tastatur an- und ausgeschaltet werden.
Download PS2_Full.zip

Lothar Miller - PS/2

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