小梅哥和你一起深入学习FPGA之PS2键盘驱动

　　五、 代码分析

　　这里，解码的关键是PS2接口的时钟信号，该时钟为异步时钟，我们需要通过边沿检测的方式来检测其下降沿，以便根据下降沿的个数来确定每个时钟我们因该做什么，边沿检测的电路，前面几个实验已经讲过很多次了，这里便不再做过多的解释，贴上代码即可：

　　以下是代码片段：

　　reg PS2_Clk_Tmp0,PS2_Clk_Tmp1,PS2_Clk_Tmp2,PS2_Clk_Tmp3;

　　wire nedge_PS2_Clk; /*PS2从机时钟下降沿检测标志信号*/

　　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

　　/*-------获取PS时钟信号的下降沿-------------*/

　　assign nedge_PS2_Clk = !PS2_Clk_Tmp0 & !PS2_Clk_Tmp1 & PS2_Clk_Tmp2 & PS2_Clk_Tmp3;

　　一个PS2的数据包总共由11位组成，因此会有11个时钟下降沿，因此我们必须对下降沿的个数准确计数，才能保证我们能够解码得到正确的数据，这里，使用我们的PS2时钟下降沿标志信号来使能我们的计数器自加，当计数器加到11后，表示一个数据包接收完成，将计数器清零，等待下一个下降沿的到来，相关代码如下：

　　以下是代码片段：

　　/*------------PS2时钟下降沿个数计数器-----------------------*/

　　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;

　　接下来，就是根据时钟下降沿的计数个数，来读取对应位的数据了，因为采用了非阻塞赋值的方式，因此，PS2时钟下降沿到来时，此时Cnt1执行自加1操作，但同时如果也来用Cnt1的值来确定数据位数，就一定会造成错误，因为此时，Cnt1的加1操作并没有执行，而是会在下一个时钟上升沿到来之时才变，因此，为了保证我们使用的Cnt1的数据是已经更新了的，我们需要在Cnt1已经变化之后再来使用其值做判断，即在PS2时钟下降沿检测成功后，滞后一个系统时钟周期后再来读取PS2_Din上的值，比较简单的操作方式就是将PS2时钟下降沿检测标志信号再用寄存器打一拍，对应代码如下：

　　以下是代码片段：

　　always @(posedge Clk)nedge_PS2_Clk_Shift <= nedge_PS2_Clk;

　　可能这里相对比较难以理解，希望大家结合仿真结果自学揣摩体会。

　　接下来就是根据Cnt1的计数值来读取每一位的数据了，这部分代码很简单，如下所示：

　　以下是代码片段：

　　/*--------------读取8位数据位---------------*/

　　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;

　　通过以上操作，我们就能正确的解码PS2键盘发送过来的每一个字节的数据了，但是，这些数据代表了什么呢，如果是断码标志，或者是长码标志，我们又该如何进行操作呢，这里，小梅哥先贴上我的处理代码：

　　以下是代码片段：

　　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) /*判断是否为长码*/

　　Long_Code_r <= 1'b1; /*将长码标志置1*/

　　else if(Data_tmp == 8'hF0) /*判断是否为断码*/

　　Break_r <= 1'b1; /*将断码标志置1*/

　　else begin /*检测到的数据为通码*/

　　Key_Valve <= {Break_r,Long_Code_r,Data_tmp};/*将长码标志、断码标志和解码到的按键码输出*/

　　Key_Flag <= 1'b1; /*产生解码成功标志信号*/

　　Long_Code_r <= 1'b0; /*清零长码标志*/

　　Break_r <= 1'b0; /*清零断码标志*/

　　end

　　end

　　else begin

　　Key_Valve <= Key_Valve;

　　Key_Flag <= 1'b0;

　　Break_r <= Break_r;

　　Long_Code_r <= Long_Code_r;

　　end

　　这里，小梅哥使用了两个标志寄存器，当检测数据完成后，即Cnt1=11时，就对解码到到数据进行判断，如果Data_tmp == 8'hE0，则解码到到数据为长码(扩展码)标志，此时便将长码标志寄存器置1，如果Data_tmp == 8'hF0，则解码到到数据为断码标志，此时便将断码标志寄存器置1。然后，当解码到其他数据(如单字节通码或双子节通码的第二个字节)后，便将解码到的数据连同断码和长码标志寄存器的状态输出，并给出按键检测成功标志(Key_Flag置1)。

　　六、 仿真分析

　　为了对小梅哥设计的PS2键盘解码驱动进行验证，小梅哥编写了一个Testbench来模拟键盘发送数据，通过观察键盘解码驱动的输出来验证该解码模块的正确性，关于模拟键盘发送数据，在一份介绍PS2协议的手册中有如下描述：

　　我推荐仿真键盘/鼠标采用下面的过程发送一字节的数据到主机：

　　1) 等待Clock线为高电平， 即等待主机释放Clock线;

　　2) 延时50us;

　　3) 判断Clock线是否为高电平?

　　No―― 跳到第1步;

　　4) Data线是否为高电平?

　　No―― 放弃(跳到从主机读取字节的程序中) 。

　　5) 延迟20us，输出起始位(0) ， 然后延迟20us， 再拉低Clock线保持40us后释放Clock线， 形成一个脉冲;

　　6) 延时20us， 测试Clock线是否为高电平?No―― 跳到第1步;

　　7) 输出第1个数据位， 然后延时20us， 再拉低Clock线保持40us后释放Clock线， 形成一个脉冲;

　　8) 重复6-7步发送剩下的7个数据位和校验位;

　　9) 延时20us， 测试Clock线是否为高电平?

　　No―― 跳到第1步;

　　因此，我们的模拟键盘发送数据的过程只需要依照上面的流程来即可，这里贴上小梅哥编写的testbench：

　　以下是代码片段：

　　`timescale 1ns/1ns

　　module PS2_Key_Board_Driver_tb;

　　reg Clk;/*system clock*/

　　reg Rst_n;/*复位信号*/

　　reg PS2_Din;/*PS2键盘数据线*/

　　reg PS2_Clk;/*PS2键盘时钟线*/

　　wire Key_Flag;/*解码得到键值标志信号*/

　　wire [9:0] Key_Valve;/*解码结果，其中最高位为通/断码识别位，0为通码，1为断码，低八位为码值*/

　　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

　　/*---------生成工作时钟-----------*/

　　always #10 Clk = ~Clk;

　　/*----任务：以PS2协议发送一个字节的数据-----*/

　　task Send_data;

　　input [7:0]Data;

　　begin

　　PS2_Din = 0; /*发送起始位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[0];/*发送第0位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[1];/*发送第1位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[2];/*发送第2位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[3];/*发送第3位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[4];/*发送第4位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[5];/*发送第5位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[6];/*发送第6位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = Data[7];/*发送第7位*/

　　#20000;PS2_Clk = 0;

　　#40000;PS2_Clk = 1;

　　#20000;PS2_Din = 0;/*暂时忽略校验位*/

　　#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

　　/*-----任务：模拟按下按键的操作------*/

　　task press_key;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　Send_data(Key_Number);

　　#50000;

　　end

　　endtask

　　/*-----任务：模拟释放按键的操作------*/

　　task release_key;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　Send_data(8'hF0);

　　#50000;

　　Send_data(Key_Number);

　　#50000;

　　end

　　endtask

　　/*----任务：模拟一次短码的按下和释放操作-----*/

　　task Key_Event;

　　input [7:0]Key_Number;

　　begin

　　press_key(Key_Number);

　　#30000;

　　release_key(Key_Number);

　　end

　　endtask

　　/*----任务：模拟一次长码的按下和释放操作-----*/

　　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中使用了一个主任务来模拟键盘的数据发送，并使用了其他几个基于此任务的任务来模拟按键按下、按键释放、普通按键按下+释放、扩展按键按下+释放的过程，通过模拟进行部分按键的按下和释放操作，来观察解码模块的结果，便可获知解码是否成功。

　　以下为小梅哥的仿真结果，与我发送的数据一致，因此表明我的PS2解码是成功的。

　　七、 下板验证

　　这里，小梅哥在至芯科技ZX2的板子上验证通过，如下图：

　　其中，第三个数码管，为0表示普通按键通码，为2表示普通按键断码，为1表示扩展按键通码，为3表示扩展按键断码。