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引言
當前嵌入式系統技術已得到了廣泛應用，但傳統嵌入式系統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及其軟件系統是開發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。
接口協議原理
PS/2鼠標接口采用一種雙向同步串行協議，即每在時鐘線上發一個脈沖，就在數據線上發送一位數據。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。
如果主機要發送數據，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。
PS/2鼠標的工作模式和協議數據包格式
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，會及時把它的狀態數據發送給主機。發送的數據包格式如表１所示。
Byte1中的Bit0、Bit1、Bit2分別表示左、右、中鍵的狀態，狀態值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）。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，在非顯示區域它是低電平。
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（0xfa），主機根據應答字節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和位置，否則，停止處理。如圖5。
如圖6，當狀態機m2_state復位時，即進入m2_reset狀態，并在 一個clk周期后進入m2_hold_clk_l狀態，當ps2_clk_hi_z（時鐘線）被拉低并保持400μS后進入m2_data_low_1狀態，此時向鼠標 發送起始 位和d［0］、d［1］（d［0］=d［1］=0）。完成后進入m2_data_high_1狀態， 發送d［2］（d［2］=1）并進入m2_data_low_2狀態，此時向鼠標發送d［3］位（d［3］=0）， 完成發送進入m2_data_high_2狀態，向鼠標發送d［4］、d［5］、d［6］、d［7］（d［4］=d［5］=d［6］=d［7］=1），完成發送進入m2_data_low_3狀 態，向鼠標發送奇偶校驗位，然后進入m2_data_high_3狀態，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，數據線仍未變為高電平，則進入m2_error_no_ack狀態，此時握手失敗，系統將保持m2_error_no_ack狀態直到下一次復位，否則進入m2_await_response狀態接收應答字，接收完成進入m2_verify數據校驗，然后進入m2_use狀態，鎖存輸出數據，并進入m2_wait狀態，等待接收數據。當檢測到時鐘下降沿后進入m2_gather狀態，接收鼠標數據包，接收完成進入m2_verify狀態，此時便形成了數據接收循環。
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
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;
-- 用狀態機的9個狀態實現命令字傳輸，使鼠標進入“streaming”模式，并等待鼠標正確應答 ［page］
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中，從而大大提高人機交互能力，降低了開發成本，提高了開發效率，使系統的穩定性也得到了可靠的保障。
責任編輯：gt
工商網監
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