普通标准键盘原理
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PS/2协议,键盘基本工作原理,键盘模拟器
2007年03月05日 星期一 10:23
摘要:先简要介绍普通PC机的键盘，然后分析PS/2协议，最后实现了一个键盘仿真器，可利用其开发真正的键盘.
PC机键盘简介
随着IBM PC机的发展，键盘也分为XT, AT, PS/2键盘以至于后来的USB键盘. PC系列机使用的键盘有83键、84键、101键、102键和104键等多种。XT和AT机的标准键盘分别为83键和84键，而286机以上微机的键盘则 普遍使用101键、102键或104键。83键键盘是最早使用的一种PC机键盘，其键号与扫描码是一致的。这个扫描码被直接发送到主机箱并转换为 ASCII码；随着高档PC机的出现，键盘功能和按键数目得到了扩充，键盘排列也发生了变化，产生的扫描码与83键键盘的扫描码不同。为了保持PC系列微 机的向上兼容性，需将84/101/102/104键键盘的扫描码转换为83键键盘的扫描码，一般将前者叫作行列位置扫描码，而将后者称为系统扫描码。显 然，对于83键键盘，这两种扫描码是相同的。
键盘是由一组排列成矩阵方式的按键开关组成，通常有编码键盘和非编码键盘两种类型，IBM系列个人微型计算机的键盘属于非编码类型。微机键盘主要由单片 机、译码器和键开关矩阵三大部分组成。其中单片机采用了INTEL8048单片微处理器控制，这是一个40引脚的芯片，内部集成了8位 CPU、1024×8位的ROM、64×8位的RAM、8位的定时器／计数器等器件。由于键盘排列成矩阵格式，被按键的识别和行列位置扫描码的产生，是由 键盘内部的单片机通过译码器来实现的。单片机在周期性扫描行、列的同时，读回扫描信号线结果，判断是否有键按下，并计算按键的位置以获得扫描码。当有键按 下时，键盘分两次将位置扫描码发送到键盘接口；按下一次，叫接通扫描码；释放时再发一次，叫断开扫描码。因此可以用硬件或软件的方法对键盘的行、列分别进 行扫视，去查找按下的键，输出扫描位置码，通过查表转换为ASCII码返回。
键盘是与主机箱分开的一个独立装置，通过一根5芯电缆与主机箱连接，系统主板上的键盘接口按照键盘代码串行传送的应答约定，接受键盘发送来的扫描码；键盘 在扫描过程中，7位计数器循环计数。当高5位(D6一D2)状态为全“0”时，经译码器在O列线上输出一个“0”,其余均为“1”；而计数器的低二位 (D1D0)通过4选1多路选择器控制0—3行的扫描。计数器计一个数则扫描一行，计4个数全部行线扫描一遍，同时由计数器内部向D2进位，使另一列线1 变低，行线再扫描一遍。只要没
有键按下，多路选择器就一直输出高电平，则时钟一直使计数器循环计数，对键盘轮番扫描。当有一个键被按下时，若扫描到该键所 在的行和列时，多路选择器就会输出一个低电平，去封锁时钟门，使计数器停止计数。这时计数器输出的数据就是被按键的位置码(即扫描码)。8048利用程序 读取这个键码后，在最高位添上一个“O”，组成一个字节的数据，然后从P22引脚以串行方式输出。在8048检测到键按下后，还要继续对键盘扫描检测，以 发现该键是否释放。当检测到释放时，8048在刚才读出的7位位置码的前面(最高位)加上一个“1”，作为“释放扫描码”，也从 P22引脚串行送出去，以便和“按下扫描码”相区别。送出“释放扫描码”的目的是为识别组合键和上、下档键提供条件。
同时，主机还向键盘发送控制信号，主机CPU响应键盘中断请求时，通过外围接口芯片8255A一5的PA口读取键盘扫描码并进行相应转换处理和暂存；通过PB口的PB6和PB7来控制键盘接口工作。
从用途上看，键盘可分为台式机键盘、笔记本电脑键盘和工控机键盘三大类；其中台式机键盘从按键结构上又可分为两类，即机械键盘和电容键盘（又称有触点键盘 和无触点键盘）。机械键盘存在着开关容易损坏、易污染、易老化的缺点，现已基本淘汰。电容键盘在可靠性上比前者有质的飞跃，使用寿命较长，目前大多为电容 键盘。
早期的键盘是由美国IBM公司推出的，当时采用的计算机键盘为83键键盘。不久IBM又推出了84键的键盘设计标准，将键盘分为三个区，即功能区、打字键 区及负责光标控制和编辑的副键盘区，这种键盘主要区域的划分标准一直沿用至今。随着微软Windows视窗操作系统的广泛应用，IBM公司于1986年首 次推出了101键的标准键盘，除添加了F11、F12两个功能键之外，还在键盘的中部多加了一组专用的光标控制和编辑的键，使键盘功能得到了进一步扩充， 成为当时业界的标准键盘。后来，为与微软的Win95操作系统相配合，IBM又推出了104键键盘，新增了3个功能键（亦称Windows快捷键或热键
又被业界通称为标准键盘。
但是，无论是机械键盘或者电容键盘，还是从早期的83键键盘发展到目前通称的标准键盘104键键盘，其应用都是主要依赖于硬件CPU和软件操作系统。以下就键盘的构造及工作原理等问题进行介绍。
什么是键盘的键位冲突？
简单的说，也就是当你同时按下键盘上的几个键的时候，这几个键不能同时反映出来，这就叫做键盘的键位冲突。例如说，你能想象当你按下Ctrl－Alt－Del时，系统只能接收到前两个键，而死活不承认你按了Del键吗？
当然，现实中是不会有这样的键盘的，按不下Ctrl－Alt－Del的键盘根本就没法出厂，但其他一些常见的键位冲突就不稀奇了。例如，经常有一些键盘不能同时对例如A-S-空格这样的按键组合作出反应，这样在FPS游戏中，使用者就会大为吃亏。
对于键位冲突问题，电脑用户中有两种完全不同的态度，绝大多数人根本意识不到键位冲突问题的存在，直到遇到冲突的时候才叫苦不迭，并且大呼“为什么他就能 做这个动作？”；而另一部分人，特别是一些游戏高手，又在孜孜不倦的寻找“没有键位冲突的键盘”。这两种人都是对键位冲突的原因认识不清楚的。
键位冲突的直接起因，是键盘的非编码结构。在2月号的专题中，我们提到过现在的键盘几乎都是非编码的薄膜接触式键盘，那么什么是非编码键盘呢？在专题里我们没有详细的解释，下面我们就来详细说明一下非编码键盘的原理与结构。
传统的键盘，是编码式键盘，它的每个键按下时都会产生唯一的按键编码，并且通过专有的一组导线传输到键盘接口电路，由于其线路和编码的唯一性，这种键盘是不存在键位冲突的问题的，但是编码键盘结构复杂，现在已经很少使用了。
而现代的薄膜接触式键盘，任何一个按键都有上下两层薄膜的触点，我们将它拆开来仔细看一看（如图），就会发现在任何一层薄膜上，导线数都远少于按键数，而 且每一条导线都同时连通多个按键的触点，而且，上层和下层的任何两条导线都最多只在一个按键上重合。也就是说，上层的1号导线可能会同时经过1、2、3、 4、5……等按键，而下层的1号导线可能同时经过1、Q、A、Z……等按键，且两条导线只在1键上重合。
什么是键盘的键位冲突？简单的说，也就是当你同时按下键盘上的几个键的时候，这几个键不能同时反映出来，这就叫做键盘的键位冲突。例如说，你能想象当你按下Ctrl－Alt－Del时，系统只能接收到前两个键，而死活不承认你按了Del键吗？
设备发送数据到主机
The
Data and Clock lines are both open collector.
数据和时钟线都是集电极开路的。
A resistor is connected between each line and +5V, so the idle state of the bus is high.
在+5V 和每根线 之间连接着一个电阻，所以 总线的空闲状态 是 高电平。
When the keyboard or mouse wants to send information, it first checks the Clock line to make sure it's at a high logic level.
当键盘或者鼠标想发送数据时，它首先必须检查时钟线 ，确认它处于高电平。
If it's not, the host is inhibiting communication and the device must buffer any to-be-sent data until the host releases Clock.
如果不是，主机禁止通信，设备必须缓冲任何要发送的数据，直到主机释放时钟。
The Clock line must be continuously high for at least 50 microseconds before the device can begin to transmit its data.
在设备开始传输数据之前，时钟线 必须持续为 高电平的 时间 必须 至少50ms
The keyboard/mouse writes a bit on the Data line when Clock is high, and it is read by the host when Clock is low.
当时钟为高电平时，键盘/鼠标写一个bit到数据线上；当时钟为低电平时，主机从数据线上读取这个bit 。
The Data line changes state when Clock is high and that data is valid when Clock is low.
当时钟位高时，数据线 改变状态；
当时钟位低时，（数据线上的)数据是有效的。
The clock frequency is 10-16.7 kHz.
时钟频率是10-16.7KHz
The time from the rising edge of a clock pulse to a Data transition must be at least 5 microseconds.
从时钟脉冲的上升沿到数据跳变 的时间必须至少 5ms
The time from a data transition to the falling edge of a clock pulse must be at least 5 microseconds and no greater than 25 microseconds.
从数据跳变 到时钟脉冲的下降沿 必须 至少5ms,且不超过25ms
The host may inhibit communication at any time by pulling the Clock line low for at least 100 microseconds.
主机可在任何时间禁止通信，只需要将时钟线下拉位低电平超过100ms即可
If a transmission is inhibited before the 11th clock pulse, the device must abort the current transmission and prepare to retransmit the current "chunk" of data when host releases Clock.
如果在第11个脉冲时禁止传输，设备必须中止当前的传输，准备重新传输当前的数据"chunk（块)"当主机释放时钟时
A "chunk" of data could be a make code, break code, device ID, mouse movement packet, etc.
一个数据块可能时 通码，断码，设备ID，鼠标移动包 等等。
For example, if a keyboard is interrupted while sending the second byte of a two-byte break code, it will need to retransmit both bytes of that break code, not just the one that was interrupted.
举个例子，如果当发送 一个两字节断码的 第2个字节时，键盘被中断，它将需要重新发送
此断码的两个字节
，而不仅仅时被中断掉的那个字节。
If the host pulls clock low before the first high-to-low clock transition, or after the falling edge of the last clock pulse, the keyboard/mouse does not need to retransmit any data.
如果在第一个 高->低 时钟跳变 时，（或者在 最后一个时钟脉冲的下降沿 之后）主机将时钟拉低，键盘/鼠标 不必重新传输任何数据。
However, if new data is created that needs to be transmitted, it will have to be buffered until the host releases Clock.
但是，如果新产生的数据需要传输，它必须将数据缓冲，知道主机释放时钟。
Keyboards have a 16-byte buffer for this purpose. If more than 16 bytes worth of keystrokes occur, further keystrokes will be ignored until there's room in the buffer.
键盘有一个16字节的缓冲区。如果有超过16个字节的击键存在，更多的击键将被忽略。直到
缓冲区有空地。
Mice only store the most current movement packet for transmission.
鼠标只能缓冲最近的一个要传输的（移动)数据包。
时间参数 最大值/最小值
T1数据跳变到时钟的下降沿 5/25 us
T2时钟的上升沿 到 数据跳变 5/T4 - 5 us
T3时钟inactive 30-50 us
T4时钟active 30-50 us
T5 >0/50 us
Time to auxiliary device inhibit after clock 11 to ensure the auxiliary device does not start another transmission
The auxiliary device checks the 'clock' line. If the line is inactive, output from the device is not allowed.
辅助设备(指 键盘) 检查 时钟线 ，如果时低电平，禁止发送数据
The auxiliary device checks the 'data' line. If the line is inactive, the controller receives data from the system.
设备检查数据线，如果是 低电平，那么控制器从系统接收数据
The auxiliary device checks the 'clock' line during the transmission at intervals not exceeding 100 microseconds. If the device finds the system holding the 'clock' line inactive, the transmission is terminated. The system can terminate transmission anytime during the first 10 clock cycles.
设备在传输过程中 检查 时钟 线 间隔不超过100us。 如果设备发现 主机系统 将电平拉低，就终止传输。 在传输过程的前10个时钟周期的任何时候，主机系统可以中止传输。
A final check for terminated transmission is performed at least 5 microseconds after the 10th clock.
终止传输的最后一个检查 要持续至少5us
The system can hold the 'clock' signal inactive to inhibit the next transmission.
系统拉低时钟线，将禁止下一次传输
The system can set the 'data' line inactive if it has a byte to transmit to the device. The 'data' line is set i
nactive when the start bit (always 0) is placed on the 'data' line.
系统如果有一个字节要传输给设备，可以拉低数据线。当开始位（总是0）放置到数据线时，数据线被拉低。
The system raises the 'clock' line to allow the next transmission.
系统拉高时钟将允许下一次传输
Host-to-Device主机到设备的通信
First of all, the PS/2 device always generates the clock signal.
首先，PS/2设备总是产生时钟信号
If the host wants to send data, it must first put the Clock and Data lines in a "Request-to-send" state as follows:
如果主机想发送数据，它必须先将时钟线和数据线设置成"Request-to-send"状态:
1) Inhibit communication by pulling Clock low for at least 100 microseconds.
拉低时钟线至少100us来禁止通信
2) Apply "Request-to-send" by pulling Data low, then release Clock.
拉低数据线，请求 "Request-to-send", 然后释放时钟 .
The device should check for this state at intervals not to exceed 10 milliseconds.
设备应该在不超过10ms(注意，是毫秒)的间隔内就要检查一次这个状态。
When the device detects this state, it will begin generating Clock signals and clock in eight data bits and one stop bit.
当设备检测到这个状态，它将开始产生时钟信号，
The host changes the Data line only when the Clock line is low, and data is read by the device when Clock is high.
只有当时钟线 为低的时候，主机才可以改变数据线（也就是将数据写入到数据线）。数据将在时钟为高电平的时候 被 设备读取。
After the stop bit is received, the device will acknowledge the received byte by bringing the Data line low and generating one last clock pulse.
在收到停止位之后，设备将通过拉低数据线，生成最后一个时钟脉冲 来 应答收到的字节
If the host does not release the Data line after the 11th clock pulse, the device will continue to generate clock pulses until the the Data line is released (the device will then generate an error.)
在第11个时钟脉冲之后，如果主机并没有释放数据线，设备将继续产生时钟脉冲，直到数据线被释放（然后 设备将产生一个错误）
The host may abort transmission at time before the 11th clock pulse (acknowledge bit) by holding Clock low for at least 100 microseconds.
在第11个脉冲之前（回应位），主机可以随时中止传输，只要拉低时钟持续100us即可
时间参数 最大值/最小值
T7 时钟低电平 30-50 us
T8 时钟高电平 30-50 us
T9 30-50 us
T9 == Time from inactive to active CLK transition, used to time when the auxiliary device samples DATA
FreeScale(Moto)提供的时序图
主机到键盘的数据传输
1.主机 通过拉低 时钟线 来 启动一个主机到键盘的数据
传输。大约35us后，主机拉低数据线
。这个事件序列 就是 通知 键盘，主机要传输一个命令了。在数据信号的下降沿大约 125us 后 时钟信号释放，就被键盘内部的上拉电阻拉为高电平 。
2. 在时钟信号的上升沿 约 1ms ，数据传输开始。这个期间，数据线保持低电平。键盘拉低时钟线，clocking in the low data line. 这个就做传输的起始位。
3. 键盘用时钟驱动 8个数据位从主机传输到自己这边。 这个时钟有50％的占空比(duty cycle).高电平和低电平的时间都在30~50us之间。主机在每个周期的低电平的时候改变数据线上的数据。在每个时钟的上升沿5～25us之后键盘 开始从数据线上取样，取出主机发来的数据。
4.数据位之后是一个奇偶校验位（采用奇校验）
5.最后是停止位
6.如果键盘读到一个高电平的停止位，键盘就在 取样停止位的那个时钟的下降沿 之后的低电平期间 拉低数据线。这个行为叫做 键盘给主机的应答信号。
键盘拉高时钟之后，也拉高数据线。
7.在收到一个字节后，键盘对接收的数据执行一个奇偶校验。如果奇偶校验错误，或者接收的数据无法识别为有效的命令，那么键盘请求重新发送（发送0xFE给主机)
1. 键盘发送数据前，首先必须让时钟 和数据线都在键盘内部的上拉电阻作用下 拉成高电平。然后键盘拉低数据线，5－25us之后，键盘拉低时钟线。在时钟的下降沿，开始传输起始位The falling edge of the clock line clocks in the transfer’s start
bit.
2. 键盘用时钟驱动 8个数据位到主机。 这个时钟有50％的占空比(duty cycle).高电平和低电平的时间都在30~50us之间。键盘在每个周期的高电平的时候改变数据线上的数据。这个改变出现在时钟的上升沿的5us后 和 下降沿的5us前。键盘的数据在时钟的下降沿被锁存进主机。
3.数据位之后是一个奇校验位
4.最后是停止位。在时钟的下降沿 0～50us之间 主机拉低时钟 来锁存停止位。这就告诉键盘主机现在忙，不能在接收 其他的键盘传输数据。在处理完接收的数据，准备好接收下一个数据之前，主机释放时钟。
6.在键盘传输数据到主机的过程中，主机任何时候都可以中断这个传输，发送一个命令到键盘。主机拉低时钟和数据线 即可中止传输。所以，键盘在时钟为 低电平的时候必须取样数据线。（无论什么时候输出高数据位的时候）。在产生时钟的上升沿时，必须读取时钟。
在任何时候发现这两个条件不满足，就拉高时钟和数据线，放弃这次传输，并准备从 主机接收命令。
Moto 香港公司的 Derek Lau
当时钟 高电平是，发送给主机的数据被主机读取。在空闲状态，时钟和数据
线都被拉为高电平。主机 拉低 时钟最少100ms（？还是us）开始发送数据给键盘：
1.主机等待，直到没有外部设备传输被处理
2.主机 拉低时钟
3.主机拉低数据作为开始位
4 .主机释放时钟
5.设备拉低时钟
6.主机发送数据
7.设备释放时钟，读取数据
8.设备检查时钟线，如果时钟为低，中止传输
9.重复 5－7步，发送 数据1－到数据0，以及 奇校验位
10. 设备拉低时钟
11. 主机释放数据
12.设备时钟时钟
13.设备读取数据线，想得到停止位，如果数据线为低（不是停止位），产生错误
14.设备拉低 时钟和数据线
15.设备释放 时钟和数据线
从设备发送到主机的数据，在时钟的下降沿被读取。在发送数据前，设备检查通过检测时钟信号为高来得知 主机是否贮备好：
1.键盘（设备）等待时钟为高（约50ms?us)
2.如果数据为 低，终止
3.键盘 发送数据
4.键盘拉低时钟为低
5.键盘释放时钟为高
6.键盘 读取时钟线，如果时钟为低，中止传输
7.重复 4－6步，传输数据0－数据7，奇校验位和停止位
8.键盘释放时钟为高
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