設計背景：

PS2接口是一種PC兼容型電腦系統上的接口，可以用來鏈接鍵盤及鼠標。PS2的命名來自于1987年時IBM所推出的個人電腦：PS/2系列。PS2的鍵盤和鼠標在電氣特性上十分類似，主要差別在于鍵盤接口需要雙向的溝通。PS2接口不支持熱插拔，使用時需要關機插上，目前已逐漸被USB所替代，只有少部分臺式機仍然提供PS2接口。

設計原理:

PS2的接口如下圖所示：

上圖中，1是數據線DATA；2是預留N/C；3是GND；4是VCC（+5V）；5是時鐘信號線CLK；6是預留N/C。

PS2原理電路圖如下：

PS2協議總共由兩根線組成，從電路原理圖中也可以看出，需要控制的只有PS2_CLK和PS2_SDA，即一根時鐘線和一根數據線。PS2設備中的時鐘和數據都是集電極開路的，平時都是高電平。本設計將采用PS2接口的鍵盤稱為從機，將控制和解碼PS2協議的一方稱為主機（FPGA）。PS2協議的時鐘線始終由從機（即鍵盤）產生的，PS2協議發送一個字節數據共有11位。時序如下圖所示:

1Bit起始位，總是0；8Bit數據位，低位在前；1Bit校驗位，奇校驗；1Bit停止位，總是1。

從機（鍵盤）按照這個時序發送數據，主機（FPGA）只需要實現該協議的解碼，即可將其中的8Bit數據位提取出來。根據時序圖可以看出，數據在PS2時鐘的下降沿是保持穩定的，主機只需在檢測到PS2時鐘出現下降沿時，去讀取數據線上的電平，就可得到正確的數據。

通過上述的內容，已經知道了PS2從機到主機的通信協議，接下來就需要知道從機發送過來的每個字節代表什么？這時就要對照鍵盤編碼表進行查看。鍵盤上一個按鍵由按下到釋放時，鍵盤是按照如下的規定向主機發送數據的：

只要一個按鍵被按下，這個鍵的通碼（MAKE）就會被發送到主機，按鍵一被釋放，斷碼（BREAK）也會被發送，如果按鍵被按下不釋放的話，鍵盤會以一定的頻率發送那個按鍵的通碼。每個按鍵都有自己唯一的通碼和斷碼，從而組成鍵盤編碼表，表上的碼值為16進制：

例如，如果鍵盤上‘A’鍵被按下時，鍵盤就會向主機發送‘A’鍵對應的通碼‘1C’，直到按鍵被釋放。在按鍵被釋放后，鍵盤將會向主機發送‘A’鍵的斷碼，即首先發送‘F0’，然后下一個字節發送‘1C’。通過觀察鍵盤編碼表，可以發現按鍵的通碼與斷碼存在一定的聯系，多數斷碼的第一個字節是‘F0’，第二個字節則是這個鍵的通碼。

如果按下鍵盤上的擴展按鍵時，如‘END’，當‘END’鍵被按下后，鍵盤會首先向主機發送‘E0’，然后發送‘F0’，最后再發送‘69’。 根據上述的分析可知，在主機（FPGA）解碼一次數據后，還需要對這個數據進行分析判斷，判斷該數據是否為斷碼標志‘F0’以及擴展碼標志‘E0’。

設計架構圖:

本設計將實現在PS2鍵盤上按下26個字母任一個，在數碼管上顯示其對應的ASCII碼。架構圖如下：

ps2scan模塊是根據PS2的時序協議，將鍵盤的按鍵值譯成一個8位的數據（out_data）輸出；ASCII模塊，根據ASCII表，將數據與字母一一對應；seg_num模塊將相應的數據在數碼管上顯示。

設計代碼:

ps2scan模塊代碼：

0moduleps2scan (clk,rst_n,ps2_sclk,ps2_sda,out_data);

1

2//端口信號：模塊的輸入輸出接口

3inputclk;//系統時鐘

4inputrst_n;//低電平復位

5inputps2_sclk;//ps2時鐘信號（ps2設備自動產生，大約10KHz左右）

6inputps2_sda;//ps2數據信號

7outputreg[7:0]out_data;//鍵值數據（采集ps2的一幀信號中間的8位有效位）

8

9//在發送時序中，數據在ps2_sclk的下降沿采集信號，以下為檢測下降沿

10regin1,in2;

11wireen;

12

13always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

14begin

15if(!rst_n)

16begin

17in1 <=1'b0;

18in2 <=1'b0;

19end

20else

21begin

22in1 <=ps2_sclk;

23in2 <=in1;

24end

25end

26

27assignen =(~in1)&in2;//當出現ps2_sclk下降沿后拉高一個時鐘，以進行數據的采集

28

29

30//采集ps2的一幀信號中間的8位有效位:每檢測一個下降沿算一位數據位，在中間8位采集有效數據

31reg[7:0]temp_data;

32reg[3:0]num;

33

34always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

35begin

36if(!rst_n)

37begin

38num <=4'd0;

39temp_data <=8'd0;

40end

41elseif(en)

42case(num)

434'd0:num <=num+1'b1;//開始位

444'd1:begin

45num <=num+1'b1;

46temp_data[0]<=ps2_sda;//bit0

47end

484'd2:begin

49num <=num+1'b1;

50temp_data[1]<=ps2_sda;//bit1

51end

524'd3:begin

53num <=num+1'b1;

54temp_data[2]<=ps2_sda;//bit2

55end

564'd4:begin

57num <=num+1'b1;

58temp_data[3]<=ps2_sda;//bit3

59end

604'd5:begin

61num <=num+1'b1;

62temp_data[4]<=ps2_sda;//bit4

63end

644'd6:begin

65num <=num+1'b1;

66temp_data[5]<=ps2_sda;//bit5

67end

684'd7:begin

69num <=num+1'b1;

70temp_data[6]<=ps2_sda;//bit6

71end

724'd8:begin

73num <=num+1'b1;

74temp_data[7]<=ps2_sda;//bit7

75end

764'd9:num <=num+1'b1;//結束位

774'd10:num <=4'd0;

78default:;

79endcase

80end

81

82//判斷是否有鍵按下：根據通碼、斷碼的特性判斷

83regkey;

84

85always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

86begin

87if(!rst_n)

88key <=1'b0;

89elseif(num==4'd10)

90begin

91if(temp_data ==8'hf0)

92key <=1'b1;

93else

94begin

95if(!key)

96out_data <=temp_data;

97else

98key <=1'b0;

99end

100end

101end

102

103endmodule

ASCII模塊代碼：

0moduleASCII(out_data,tx_out);

1

2//端口信號：模塊的輸入輸出接口

3input[7:0]out_data;//鍵盤的掃描鍵值

4outputreg[7:0]tx_out;//通過ASCII碼轉換之后的值

5

6//通過查找表的方式，對照ASCII碼將鍵值轉換為二進制數值

7always@(*)

8case(out_data)

98'h1c:tx_out <=8'h41;//A

108'h32:tx_out <=8'h42;//B

118'h21:tx_out <=8'h43;//C

128'h23:tx_out <=8'h44;//D

138'h24:tx_out <=8'h45;//E

148'h2b:tx_out <=8'h46;//F

158'h34:tx_out <=8'h47;//G

168'h33:tx_out <=8'h48;//H

178'h43:tx_out <=8'h49;//I

188'h3b:tx_out <=8'h4a;//J

198'h42:tx_out <=8'h4b;//K

208'h4b:tx_out <=8'h4c;//L

218'h3a:tx_out <=8'h4d;//M

228'h31:tx_out <=8'h4e;//N

238'h44:tx_out <=8'h4f;//O

248'h4d:tx_out <=8'h50;//P

258'h15:tx_out <=8'h51;//Q

268'h2d:tx_out <=8'h52;//R

278'h1b:tx_out <=8'h53;//S

288'h2c:tx_out <=8'h54;//T

298'h3c:tx_out <=8'h55;//U

308'h2a:tx_out <=8'h56;//V

318'h1d:tx_out <=8'h57;//W

328'h22:tx_out <=8'h58;//X

338'h35:tx_out <=8'h59;//Y

348'h1a:tx_out <=8'h5a;//Z

35default:tx_out <=8'h00;

36endcase

37

38endmodule

seg_num模塊代碼：

0moduleseg_num (clk,rst_n,num,sel,seg);

1

2//端口信號：模塊的輸入輸出接口

3inputclk;//系統時鐘50MHz

4inputrst_n;//低電平復位

5input[7:0]num;//輸入的數據

6outputreg[2:0]sel;//數碼管位選

7outputreg[7:0]seg;//數碼管段選

8

9

10//計數分頻，通過選擇cnt的相應位的變化來大致分頻

11reg[23:0]cnt;

12wireclk_r;

13

14always@(posedgeclk ornegedgerst_n)

15begin

16if(!rst_n)

17cnt <=24'd0;

18else

19cnt <=cnt +1'b1;

20end

21

22assignclk_r =cnt[15];//通過計數cnt的第10位來分頻計數,2^10/50M

23//通過查找表的方式將數據與相應的數碼管顯示一一對應

24reg[3:0]data;

25

26always@(*)

27case(data)

284'h0:seg <=8'hC0;//8'b1100_0000

294'h1:seg <=8'hF9;//8'b1111_1001

304'h2:seg <=8'hA4;//8'b1010_0100

314'h3:seg <=8'hB0;//8'b1011_0000

324'h4:seg <=8'h99;//8'b1001_1001

334'h5:seg <=8'h92;//8'b1001_0010

344'h6:seg <=8'h82;//8'b1000_0010

354'h7:seg <=8'hF8;//8'b1111_1000

364'h8:seg <=8'h80;//8'b1000_0000

374'h9:seg <=8'h90;//8'b1001_0000

384'hA:seg <=8'h88;

394'hB:seg <=8'h83;

404'hC:seg <=8'hC6;

414'hD:seg <=8'hA1;

424'hE:seg <=8'h86;

434'hF:seg <=8'h8E;

44default:seg <=8'hFF;//8'b1111_1111

45endcase

46

47//通過查找表的方式，在不同位選下，顯示數據的相應位

48always@(*)

49begin

50case(sel)

51000:data <=num[7:4];

52001:data <=num[3:0];

53default:;

54endcase

55end

56

57always@(posedgeclk_r ornegedgerst_n)

58begin

59if(!rst_n)

60sel <=3'd0;

61elseif(sel ==3'd1)

62sel <=3'd0;

63else

64sel <=sel +1'b1;

65end

66

67endmodule

top頂層模塊代碼：

0moduletop (clk,rst_n,ps2_sclk,ps2_sda,sel,seg);

1

2//外部接口

3inputclk;//系統時鐘50MHz

4inputrst_n;//低電平復位

5inputps2_sclk;//ps2時鐘

6inputps2_sda;//ps2數據

7output[2:0]sel;//數碼管位選

8output[7:0]seg;//數碼管段選

9

10wire[7:0]out_data,tx_out;

11

12/*****鍵盤掃描模塊*****/

13ps2scan ps2scan_inst(

14.clk(clk),

15.rst_n(rst_n),

16.ps2_sclk(ps2_sclk),

17.ps2_sda(ps2_sda),

18.out_data(out_data)

19);

20

21/*****數據轉ASCII碼模塊*****/

22ASCII ASCII_inst(

23.out_data(out_data),

24.tx_out(tx_out)

25);

26

27/*****數碼管顯示模塊*****/

28seg_num seg_num_inst(

29.num(tx_out),

30.clk(clk),

31.rst_n(rst_n),

32.sel(sel),

33.seg(seg)

34);

35

36endmodule

top_tb頂層測試代碼：

0`timescale1ns/1ns

1

2moduletop_tb;

3

4regclk;

5regrst_n;

6regps2_sda;

7regps2_sclk;

8wire[7:0]seg;

9wire[2:0]sel;

10

11top top_dut(

12.clk(clk),

13.rst_n(rst_n),

14.ps2_sclk(ps2_sclk),

15.ps2_sda(ps2_sda),

16.sel(sel),

17.seg(seg)

18);

19

20initialbegin

21clk =1;

22rst_n =0;

23ps2_sda =1;

24ps2_sclk =1;

25

26#200;

27rst_n =1;

28Key_Event(8'h1A);/* Z */

29#40000;

30Key_Event(8'h22);/* X */

31#80000;

32Key_Event(8'h44);/* O */

33#13200;

34Key_Event(8'h4D);/* P */

35#25600;

36Key_Event(8'h24);/* E */

37#12300;

38Key_Event(8'h31);/* N */

39

40#2000000;

41$stop;

42end

43

44/*---------生成工作時鐘-----------*/

45always#10clk =~clk;

46

47/*----任務：以PS2協議發送一個字節的數據-----*/

48taskSend_data;

49input[7:0]data;

50begin

51ps2_sda =0;/*發送起始位*/

52#20000;ps2_sclk =0;

53#40000;ps2_sclk =1;

54

55#20000;ps2_sda =data[0];/*發送第0位*/

56#20000;ps2_sclk =0;

57#40000;ps2_sclk =1;

58

59#20000;ps2_sda =data[1];/*發送第1位*/

60#20000;ps2_sclk =0;

61#40000;ps2_sclk =1;

62

63#20000;ps2_sda =data[2];/*發送第2位*/

64#20000;ps2_sclk =0;

65#40000;ps2_sclk =1;

66

67#20000;ps2_sda =data[3];/*發送第3位*/

68#20000;ps2_sclk =0;

69#40000;ps2_sclk =1;

70

71#20000;ps2_sda =data[4];/*發送第4位*/

72#20000;ps2_sclk =0;

73#40000;ps2_sclk =1;

74

75#20000;ps2_sda =data[5];/*發送第5位*/

76#20000;ps2_sclk =0;

77#40000;ps2_sclk =1;

78

79#20000;ps2_sda =data[6];/*發送第6位*/

80#20000;ps2_sclk =0;

81#40000;ps2_sclk =1;

82

83#20000;ps2_sda =data[7];/*發送第7位*/

84#20000;ps2_sclk =0;

85#40000;ps2_sclk =1;

86

87#20000;ps2_sda =0;/*暫時忽略校驗位*/

88#20000;ps2_sclk =0;

89#40000;ps2_sclk =1;

90

91#20000;ps2_sda =1;/*停止位*/

92#20000;ps2_sclk =0;

93#40000;ps2_sclk =1;

94end

95endtask

96

97/*-----任務：模擬按下按鍵的操作------*/

98taskpress_key;

99input[7:0]Key_Number;

100begin

101Send_data(Key_Number);

102#50000;

103end

104endtask

105

106/*-----任務：模擬釋放按鍵的操作------*/

107taskrelease_key;

108input[7:0]Key_Number;

109begin

110Send_data(8'hF0);

111#50000;

112Send_data(Key_Number);

113#50000;

114end

115endtask

116

117/*----任務：模擬一次短碼的按下和釋放操作-----*/

118taskKey_Event;

119input[7:0]Key_Number;

120begin

121press_key(Key_Number);

122#30000;

123release_key(Key_Number);

124end

125endtask

126

127endmodule

仿真圖:

仿真結果如下圖：

測試文件中發送的‘Z’、‘X’、‘O’、‘P’、‘E’、‘N’等字母，在仿真圖中顯示，通過與ASCII碼表對應，得知是正確的。分配引腳，下板后，數碼管也得到了與之對應的ASCII碼值。