鍵盤接口協(xié)議在輸入輸出芯片中的應(yīng)用

蔡 瓊，楊 輝，伍儒彬

(武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430074)

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和自動化控制中，因環(huán)境或設(shè)計(jì)的需要，控制設(shè)備和終端之間往往需要相隔一定的距離.如在高溫現(xiàn)場，一些設(shè)備不適宜設(shè)置在現(xiàn)場，將設(shè)備放置在遠(yuǎn)離現(xiàn)場的位置，將輸入輸出界面通過技術(shù)手段放在現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的更好控制.又如在控制系統(tǒng)中，為便于管理，將主機(jī)統(tǒng)一存放，輸入輸出設(shè)備通過技術(shù)手段遠(yuǎn)離機(jī)房.這些技術(shù)手段包括KVM(Keyboard,Video,Mouse.即鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)的簡寫)設(shè)備、信號加強(qiáng)器、無線通信設(shè)備等.產(chǎn)生如文獻(xiàn)[1-2]的應(yīng)用解決方案或研究，本文從解決項(xiàng)目實(shí)際問題的角度出發(fā)，對基于W83627的一款控制設(shè)備在遵循PS/2協(xié)議(Personal System，由IBM公司推出的第二代電腦系統(tǒng)中提出的外部設(shè)備的接口協(xié)議)下的PS/2設(shè)備100 m延長線不能正常使用的問題進(jìn)行研究，著重于解決實(shí)際問題并進(jìn)行必要的分析.

1 W83627簡介

W83627[3]是臺灣華邦(Winbond)公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的I/O(輸入/輸出)接口芯片系列產(chǎn)品之一.采用LPC(Low Pin Count)接口技術(shù)，支持英特爾公司生產(chǎn)的系列芯片組.該芯片接口提供相對較少的I/O引腳數(shù)同時(shí)能保持一定的I/O接口芯片性能.為實(shí)現(xiàn)與ISA接口的對應(yīng)，有40只PIN腳作為接口可以用來實(shí)現(xiàn)ISA總線下的一些功能.在W83627芯片上，可掛載PS/2設(shè)備、軟盤驅(qū)動器、串口以及并口等.其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，從圖1中可知，該I/O芯片連接的設(shè)備較多，形象的將此類芯片稱之為“Super I/O”. 同時(shí)，W83627芯片完全符合微軟公司提出的PC98/PC99硬件設(shè)計(jì)指南以及PC98/PC99中的電源和設(shè)備管理規(guī)范.

圖1 W83627結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 W83627 structure diagram

W83627中與本文研究相關(guān)的PS/2(鍵盤與鼠標(biāo))控制器有如下特點(diǎn)：

1)適合在Intel 8042單片機(jī)的基礎(chǔ)上與相關(guān)的控制架構(gòu)(如鳳凰公司的MultiKey/42TM結(jié)構(gòu))結(jié)合實(shí)現(xiàn)的鍵盤或者提供存儲空間(2 k字節(jié)可編程ROM以及256字節(jié)的RAM)實(shí)現(xiàn)客制化的鍵盤.

2)有2個(gè)異步訪問數(shù)據(jù)寄存器和一個(gè)狀態(tài)寄存器以及8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器.

3)具備Intel 8042單片機(jī)的軟件兼容性，支持PS/ 2鼠標(biāo).

4)提供中斷和輪詢兩種模式并支持二進(jìn)制運(yùn)算和BCD(二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換)碼運(yùn)算.

5)其支持的工作頻率有：6 MHz、8 MHz、12 MHz或16 MHz.

2 PS/2協(xié)議

1987年，IBM公司提出PS/2協(xié)議，該協(xié)議可支持84-101類型的鍵盤.在物理接口上采用的是6pin針腳的mini-DIN連接器，與之前的5pin針腳的連接器不相同.其可用的pin腳定義依然不變，即：數(shù)據(jù)線(DATA)，接地(GND)，電源(+5 V)，時(shí)鐘信號(CLK).

在PS/2設(shè)備中有主從之分,一般的，主設(shè)備采用“母接口”形式的插座,從設(shè)備采用“公接口”形式的插座.

當(dāng)前使用的普通PS/2設(shè)備(鍵盤和鼠標(biāo))一般選擇工作在從設(shè)備方式下，PS/2設(shè)備采用雙向同步串行協(xié)議，它要求總線空閑時(shí)接口的時(shí)鐘與數(shù)據(jù)線都是集電極開路(高電平),必須外接上拉電阻，而上拉電阻可設(shè)置在主設(shè)備中，可參考圖2的示意圖(圖2中的R1、R2、R3及R4都采用5 kΩ的電阻，通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對鼠標(biāo)或鍵盤功能的實(shí)現(xiàn)).主從設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信時(shí)，若主機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)，須先將時(shí)鐘拉低以禁止從設(shè)備端的通信，通信完成后主機(jī)再拉低數(shù)據(jù)線，釋放時(shí)鐘；若從設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先檢查時(shí)鐘信號線，為高時(shí)(至少持續(xù)50 ms)寫一個(gè)bit到數(shù)據(jù)線上,時(shí)鐘為低電平時(shí)，主機(jī)從數(shù)據(jù)線上讀取剛剛寫入的bit.主機(jī)對總線擁有最高的控制權(quán)，在任何時(shí)候?qū)r(shí)鐘線拉低一定的時(shí)間就可以禁止通信，其具體的通信時(shí)序圖可參考文獻(xiàn)[4-5].

圖2 主從設(shè)備示意圖Fig.2 Master-slave equipment diagram

3 設(shè)備升級帶來的問題及解決方案

某項(xiàng)目的控制設(shè)備由VIA(威盛)公司的南北橋產(chǎn)品升級為Intel(英特爾)公司的南北橋產(chǎn)品(參考圖3)，由于VIA的南橋可直接連接PS/2設(shè)備，而該款I(lǐng)ntel的南橋不能直接連接PS/2設(shè)備，因此新的設(shè)備中加入W83627芯片，用以連接PS/2設(shè)備.設(shè)備升級后帶來系統(tǒng)處理速度以及整體性能的提升，但也有新的問題，升級之前的產(chǎn)品加100 m延長線后PS/2設(shè)備可正常識別和使用，升級后的產(chǎn)品則不能正常使用(除升級的產(chǎn)品外，其它設(shè)備和環(huán)境沒任何改變).

圖3 升級前后架構(gòu)Fig.3 Upgrade architecture before and after

3.1 問題分析

兩款產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段均遵循PC98/PC99硬件設(shè)計(jì)指南和相關(guān)的通信協(xié)議，在PS/2設(shè)備連接方面也遵循PS/2協(xié)議，在電路設(shè)計(jì)時(shí)都采用的典型電路，如圖4所示，其上拉電阻R1～R4采用的是4.7 kΩ，與PS/2協(xié)議模型建議的值(5 kΩ)不相上下.是什么原因造成相同的電路設(shè)計(jì)和遵循相同的協(xié)議規(guī)范，卻產(chǎn)生不同的結(jié)果.其根本原因是：W83627芯片連接的PS/2設(shè)備(從設(shè)備)在添加了100 m延長線后的數(shù)據(jù)信號或時(shí)鐘信號未能有效的到達(dá)主機(jī)板(主設(shè)備)上，從而導(dǎo)致了鍵盤和鼠標(biāo)不可用.也就是說，從設(shè)備與主設(shè)備的通信無法正常進(jìn)行，造成這一現(xiàn)象的潛在因素可能是：1)100 m延長線信號衰減太大；2)VIA芯片采用的BGA(Ball Grid Array,球狀矩陣排列)封裝，而W83627采用的是QFP(Quad Flat Packing,方塊平面封裝)封裝，兩種不同的封裝使其驅(qū)動性能不同；3)主設(shè)備(主機(jī))PCB布線不相同.

圖4 PS/2設(shè)備典型電路 Fig.4 The typical circuit of PS/2 equipment

3.2 解決方案

根據(jù)3.1的分析，提出以下解決方案：

方案一：在100 m延長線中間添加中繼器

方案二：采用KVM延長器

方案三：修改主設(shè)備的上拉電阻，增強(qiáng)驅(qū)動性能(即信號強(qiáng)度)

方案一和方案二在一些文獻(xiàn)上已有體現(xiàn)[6]，且在商業(yè)應(yīng)用中也較為成熟，都有成熟的產(chǎn)品在市場市場上銷售，在此不作過多的討論，以下著重討論方案三的解決思路.

鑒于圖2與圖4的電阻取值，借用最優(yōu)化方法中的一維搜索思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，步驟如下：

①設(shè)定上拉電阻取值的上限與下限；

②選定所電阻取值的跨度(理解為搜索步長)；

③從上限開始按電阻取值的跨度向下取值實(shí)驗(yàn)；(或從下限開始按電阻取值的跨度向上取值實(shí)驗(yàn))

④是否找到滿意的電阻取值，

否，減小電阻取值的跨度，轉(zhuǎn)向步驟②；

是，結(jié)束實(shí)驗(yàn).

按照上述步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將初值范圍設(shè)定在330 Ω到4.7 kΩ，電阻取值的跨度取200 Ω，通過實(shí)驗(yàn)，得到兩個(gè)電阻取值使鍵盤鼠標(biāo)正常工作的取值，即1 kΩ和1.2 kΩ.這樣將圖4中的連接時(shí)鐘信號和數(shù)據(jù)信號的上拉電阻改為1 kΩ或1.2 kΩ即可.

3.3 測試與分析

一般的，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)或改動以后，需要進(jìn)行測試(分為白盒測試和黑盒測試)，上面的電阻值修改完后，對鍵盤和鼠標(biāo)的基本功能(如：各種按鍵和組合功能)可否正常使用稱之為“黑盒測試”.而對相關(guān)的信號是否符合對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(如：本研究中的改動是否符合PS/2協(xié)議)進(jìn)行的測試稱之為“白盒測試”. 黑盒測試的測試手段和方法相對簡單，經(jīng)過測試，其關(guān)鍵的功能鍵和基本功能鍵均可正常使用.對PS/2協(xié)議中規(guī)定的幾個(gè)關(guān)鍵信號利用儀器進(jìn)行測試，其結(jié)果如圖5所示.

圖5 白盒測試組圖 Fig.5 Photos of white-box testing

圖5(a)表示時(shí)鐘信號低電平持續(xù)時(shí)間，PS/2協(xié)議的取值范圍是30～50 μs，實(shí)際測量值32.86 μs.

圖5(b)表示時(shí)鐘信號低電平持續(xù)時(shí)間，PS/2協(xié)議的取值范圍是30～50 μs，實(shí)際測量值32.87 μs.

圖5(c)表示從禁止外設(shè)發(fā)送到主機(jī)開始發(fā)送(即時(shí)鐘信號下降沿到數(shù)據(jù)下降沿信號)，PS/2協(xié)議的取值范圍不小于60 μs，實(shí)際測量值63.49 μs.

圖5(d)表示數(shù)據(jù)下降沿到時(shí)鐘下降沿，PS/2協(xié)議的取值范圍是5～25 μs，實(shí)際測量值 18.2 μs.

圖5(e)表示數(shù)據(jù)上升沿到時(shí)鐘下降沿，PS/2協(xié)議的取值范圍是5～25 μs，實(shí)際測量值 16.98 μs.

由上述可知，其黑盒測試和白盒測試均符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，因此，針對該項(xiàng)目中的100 m延長線(特定線材)有圖6的取值范圍(1～1.2 kΩ)可為以后的設(shè)計(jì)和開發(fā)所借鑒.

圖6 特定線長下的電阻取值范圍 Fig.6 The resistance value range under specific line length

針對三種方案的各自特點(diǎn)，對費(fèi)用、項(xiàng)目實(shí)施等進(jìn)行比較總結(jié)如表1所示.

表1 三種解決方案比較

通過表1可知，方案三在費(fèi)用和實(shí)施難度上來說具有一定的優(yōu)勢，當(dāng)然，其獲取適當(dāng)?shù)碾娮柚凳切枰欢ǖ娜肆臀锪Φ?

4 結(jié) 語

100 m延長線后連接PS/2設(shè)備無法正常使用的工程問題，可以應(yīng)用市場上的一些解決方案.但在項(xiàng)目實(shí)施和費(fèi)用上，存在著一些不足，從解決項(xiàng)目實(shí)際問題的角度出發(fā)，了解W83627芯片特性和PS/2協(xié)議的特點(diǎn)后，對上拉電阻值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷模筆S/2設(shè)備可正常使用.其得出的模型(見圖6)可以作為將來在處理類似問題時(shí)的參考依據(jù)，同時(shí)亦可加深對PS/2協(xié)議的理解.

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