Nexys 4 DDR的PS_2接口应用：复古输入设备的现代应用技巧


# 摘要
Nexys 4 DDR开发板作为FPGA教学与应用平台，其PS_2接口的深入研究与编程实践对于开发交互式硬件系统具有重要意义。本文首先介绍了Nexys 4 DDR及其PS_2接口的基础知识，接着详细探讨了PS_2协议的数据通信机制，包括协议基础、设备连接与初始化以及数据的解读处理。随后，文章重点讲解了PS_2接口在Nexys 4 DDR上的编程实践，涵盖基于FPGA的驱动开发、PS_2设备的读取与处理程序，以及与PS_2设备交互的高级功能。最后，本文分析了PS_2接口在实际应用中的性能优化策略、故障排除和注意事项，旨在为工程师和爱好者提供全面的参考。

# 关键字
Nexys 4 DDR；PS_2接口；数据通信；FPGA编程；性能优化；故障排除

参考资源链接：[Nexys4-DDR开发板详解：Artix-7 FPGA的实践平台](https://wenku.csdn.net/doc/6469abfc5928463033e103cc?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Nexys 4 DDR开发板概述与PS_2接口简介

## 开发板简介
Nexys 4 DDR开发板是一个广泛用于数字逻辑设计和FPGA教学的平台，由Digilent公司开发。它搭载了一个Xilinx Artix-7 FPGA芯片，提供多种接口和外设支持，是进行各种硬件实验和项目开发的理想选择。开发板设计注重易用性和扩展性，使得开发者能够快速搭建原型并进行测试。

## PS_2接口的作用
PS_2接口是Nexys 4 DDR开发板上的一个标准外围接口，主要用于连接键盘和鼠标等旧式外围设备。虽然现代计算机多采用USB接口，但PS_2接口因其简单性和可靠性，在某些特定应用场合仍被广泛使用。在FPGA开发中，通过PS_2接口可以获取到精确的按键和鼠标移动信息，对于需要精确控制输入设备的项目来说至关重要。

## PS_2接口特性
PS_2接口使用两根数据线（数据和时钟）进行通信，操作简单，传输速率适中，一般在10-16kHz。通过编程可以读取设备发送的数据帧，对数据进行解析和处理，实现对键盘按键的识别和鼠标移动轨迹的追踪。对于FPGA开发人员而言，理解和使用PS_2接口是掌握外围设备通信的基本技能之一。

# 2. PS_2协议与数据通信机制

### 2.1 PS_2协议基础

PS/2协议是一种用于连接键盘和鼠标到个人计算机的接口标准。它基于一个简单的串行通信协议，允许设备与计算机进行双向通信。PS/2接口在早期的计算机中得到了广泛应用，并且因其简单性和效率，直到今天仍然在一些特定应用中使用。

#### 2.1.1 信号线和时序特点

PS/2接口使用两对信号线：一对用于数据传输，另一对用于时钟信号。数据线在时钟线的上升沿或下降沿被采样，确保了数据的准确传输。这种通信方式对于设备和计算机之间同步非常重要。

时序特点方面，PS/2设备在按下或释放键位后，会在时钟信号的控制下发送一个数据帧。数据帧通常由11位组成，包括一个起始位、8位数据位（最低位先发送）、一个奇偶校验位和一个停止位。

#### 2.1.2 数据帧格式和校验机制

一个标准的PS/2数据帧格式包含以下部分：

1. **起始位：** 通常为0，标志着一个数据帧的开始。
2. **数据位：** 这8位代表按键的扫描码或鼠标的数据状态。
3. **奇偶校验位：** 用来检测数据传输过程中的错误。
4. **停止位：** 通常为1，标志着数据帧的结束。

奇偶校验位的计算基于数据位中的1的数量。如果1的数量是偶数，那么校验位是0，反之为1。如果接收到的数据帧中的奇偶校验位与计算结果不符，说明数据在传输过程中发生了错误。

### 2.2 PS_2设备的连接与初始化

#### 2.2.1 设备连接步骤

连接PS/2设备到Nexys 4 DDR开发板通常涉及以下步骤：

1. 将PS/2设备的5个针脚（GND、VCC、CLK、DATA、N/C）分别连接到开发板对应的针脚上。
2. 确保所有连接正确无误，并且设备供电正常。
3. 在Nexys 4 DDR上编写FPGA代码以配置PS/2接口。

#### 2.2.2 初始化过程详解

初始化PS/2设备是一个确保设备正常工作的关键步骤。在代码中，通常需要发送一个复位序列来初始化PS/2设备。复位序列包括发送特定的时钟脉冲和命令字节，确保设备处于预期的工作模式。

reg [10:0] reset_sequence = 11'b00000000001;
// 发送复位序列
always @(posedge clk) begin
    // 对时钟和数据线进行操作的代码
end

### 2.3 PS_2数据的解读与处理

#### 2.3.1 键盘扫描码解析

当按下键盘上的键时，PS/2设备会发送一个对应该键的扫描码。扫描码分为两种类型：通码（make code）和断码（break code）。通码在键被按下时发送，断码在键被释放时发送。解析这些扫描码是了解用户输入的关键。

#### 2.3.2 鼠标数据包分析

鼠标数据包包含关于鼠标位置变化和按钮状态的信息。它由3个字节组成，每个字节的位都有特定的含义。例如，第一个字节的第五位表示左键的状态，而接下来的两个字节则分别表示鼠标的X和Y轴移动。

reg [7:0] mouse_byte1, mouse_byte2, mouse_byte3;
// 鼠标数据包处理逻辑
always @(posedge clk) begin
    // 读取鼠标数据包并解析逻辑
end

解析鼠标数据包需要了解每个字节的具体格式，并且正确处理鼠标移动和点击事件。

通过本章节的介绍，我们了解了PS/2协议的基础知识，以及如何连接和初始化PS/2设备。下一章节将深入介绍如何在Nexys 4 DDR开发板上进行PS_2接口的编程实践。

# 3. Nexys 4 DDR的PS_2接口编程实践

## 3.1 基于FPGA的PS_2接口驱动开发

### 3.1.1 Verilog/VHDL编程基础

在探讨Nexys 4 DDR开发板的PS_2接口编程之前，先来了解下FPGA的编程基础。在FPGA领域，Verilog和VHDL是最常用的硬件描述语言（HDL）。Verilog的语法类似C语言，而VHDL则更加接近于传统的编程语言。

#### Verilog基础

对于Verilog来说，基本的构造单元是模块（module），一个简单的模块结构如下所示：

module example(input a, input b, output c);
    assign c = a & b;  // 逻辑与操作
endmodule

在上面的代码示例中，`module`定义了一个模块，`input`和`output`关键字分别定义了输入和输出端口，而`assign`语句用来描述硬件连接。

#### VHDL基础

VHDL代码示例如下：

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

entity example is
    Port ( a : in STD_LOGIC;
           b : in STD_LOGIC;
           c : out STD_LOGIC);
end example;

architecture Behavioral of example is
begin
    c <= a and b;  -- 逻辑与操作
end Behavioral;

在VHDL中，`entity`定义了模块的接口，`architecture`定义了模块的行为，而`<=`操作符用于信号赋值。

### 3.1.2 PS_2接口的硬件设计

PS_2接口的硬件设计包括PS_2接口的引脚配置、时钟信号、数据接收和发送逻辑。硬件设计需要考虑时钟同步、信号去抖动和电平转换等问题。

#### PS_2接口引脚

PS_2接口通常包括6个引脚，分别是VCC、GND、DA