ntel 8042键盘控制器详细介绍

本文转自http://shanzy.bokee.com/834368.html

ps/2 键盘硬件概述

对于驱动来说，和键盘相关的最重要的硬件是两个芯片。一个是 intel 8042 芯片，位于主板上，CPU 通过 IO 端口直接和这个芯片通信，获得按键的扫描码或者发送各种键盘命令。另一个是 intel 8048 芯片或者其兼容芯片，位于键盘中，这个芯片主要作用是从键盘的硬件中得到被按的键所产生的扫描码，与 i8042 通信，控制键盘本身。

当键盘上有键被按下时，i8048 直接获得键盘硬件产生的扫描码。i8048 也负责键盘本身的控制，比如点亮 LED 指示灯，熄灭 LED 指示灯。i8048 通过 ps/2 口和 i8042 通信，把得到的扫描码传送给 i8042。CPU 通过读写端口，可以直接把 i8042 中的数据读入到 CPU 的寄存器中，或者把 CPU 寄存器中的数据写入 i8042 中。ps/2 口一共有 6 个引脚，可以拔下 ps/2 插头看一下，这 6 个引脚分别为，时钟，数据，电源地，电源+5V，还有2个引脚没有被用到。由于只有一个引脚传输数据，所以 ps/2 口上的数据传输是串行的。

下面几幅图是一个键盘的内部，可以看到用来产生扫描码的按键矩阵( Key Martix )，可以看到键盘中的芯片（这里不是i8048，是一个兼容的其他型号的芯片）。

详细的图见：http://jiurl.nease.net/document/KbdDriver/JiurlKbd1.htm

i8042 键盘控制器

键盘驱动直接读写 i8042 芯片，通过 i8042 间接的向键盘中的 i8048 发命令。所以对于驱动来说，直接发生联系的只有 i8042 ，因此我们只介绍 i8042 ，不介绍 i8048。

象 i8042，i8048 这样的芯片，本身就是一个小的处理器，它的内部有自己的处理器，有自己的 Ram，有自己的寄存器，等等。

i8042 有 4 个 8 bits 的寄存器，他们是 Status Register（状态寄存器），Output Buffer（输出缓冲器），Input Buffer（输入缓冲器），Control Register（控制寄存器）。使用两个 IO 端口，60h 和 64h。


Status Register（状态寄存器）

状态寄存器是一个8位只读寄存器，任何时刻均可被cpu读取。其各位定义如下

Bit7: PARITY-EVEN(P_E): 从键盘获得的数据奇偶校验错误
Bit6: RCV-TMOUT(R_T): 接收超时，置1
Bit5: TRANS_TMOUT(T_T): 发送超时，置1
Bit4: KYBD_INH(K_I): 为1，键盘没有被禁止。为0，键盘被禁止。
Bit3: CMD_DATA(C_D): 为1，输入缓冲器中的内容为命令，为0，输入缓冲器中的内容为数据。
Bit2: SYS_FLAG(S_F): 系统标志，加电启动置0，自检通过后置1
Bit1: INPUT_BUF_FULL(I_B_F): 输入缓冲器满置1，i8042 取走后置0
BitO: OUT_BUF_FULL(O_B_F): 输出缓冲器满置1，CPU读取后置0


Output Buffer（输出缓冲器）

输出缓冲器是一个8位只读寄存器。驱动从这个寄存器中读取数据。这些数据包括，扫描码，发往 i8042 命令的响应，间接的发往 i8048 命令的响应。


Input Buffer（输入缓冲器）

输入缓冲器是一个8位只写寄存器。缓冲驱动发来的内容。这些内容包括，发往 i8042 的命令，通过 i8042 间接发往 i8048 的命令，以及作为命令参数的数据。


Control Register（控制寄存器）

也被称作 Controller Command Byte （控制器命令字节）。其各位定义如下

Bit7: 保留，应该为0
Bit6: 将第二套扫描码翻译为第一套
Bit5: 置1，禁止鼠标
Bit4: 置1，禁止键盘
Bit3: 置1，忽略状态寄存器中的 Bit4
Bit2: 设置状态寄存器中的 Bit2
Bit1: 置1，enable 鼠标中断
BitO: 置1，enable 键盘中断

2个端口 0x60,0x64

驱动中把 0x60 叫数据端口
驱动中把 0x64 叫命令端口

1.5 命令

驱动可以直接给 i8042 发命令，可以通过 i8042 间接给 i8048 发命令。命令这部分内容直接来自 < 参考资料 [1] >。


1.5.1 发给i8042的命令

驱动对键盘控制器发送命令是通过写端口64h实现的，共有12条命令，分别为

20h
准备读取8042芯片的Command Byte；其行为是将当前8042 Command Byte的内容放置于Output Register中，下一个从60H端口的读操作将会将其读取出来。

60h
准备写入8042芯片的Command Byte；下一个通过60h写入的字节将会被放入Command Byte。

A4h
测试一下键盘密码是否被设置；测试结果放置在Output Register，然后可以通过60h读取出来。测试结果可以有两种值：FAh=密码被设置；F1h=没有密码。

A5h
设置键盘密码。其结果被按照顺序通过60h端口一个一个被放置在Input Register中。密码的最后是一个空字节（内容为0）。

A6h
让密码生效。在发布这个命令之前，必须首先使用A5h命令设置密码。

AAh
自检。诊断结果放置在Output Register中，可以通过60h读取。55h=OK。

ADh
禁止键盘接口。Command Byte的bit-4被设置。当此命令被发布后，Keyboard将被禁止发送数据到Output Register。

AEh
打开键盘接口。Command Byte的bit-4被清除。当此命令被发布后，Keyboard将被允许发送数据到Output Register。

C0h
准备读取Input Port。Input Port的内容被放置于Output Register中，随后可以通过60h端口读取。

D0h
准备读取Outport端口。结果被放在Output Register中，随后通过60h端口读取出来。

D1h
准备写Output端口。随后通过60h端口写入的字节，会被放置在Output Port中。


D2h
准备写数据到Output Register中。随后通过60h写入到Input Register的字节会被放入到Output Register中，此功能被用来模拟来自于Keyboard发送的数据。如果中断被允许，则会触发一个中断。


1.5.2 发给8048的命令

共有10条命令，分别为

EDh
设置LED。Keyboard收到此命令后，一个LED设置会话开始。Keyboard首先回复一个ACK（FAh），然后等待从60h端口写入的LED设置字节，如果等到一个，则再次回复一个ACK，然后根据此字节设置LED。然后接着等待。。。直到等到一个非LED设置字节(高位被设置)，此时LED设置会话结束。

EEh
诊断Echo。此命令纯粹为了检测Keyboard是否正常，如果正常，当Keyboard收到此命令后，将会回复一个EEh字节。

F0h
选择Scan code set。Keyboard系统共可能有3个Scan code set。当Keyboard收到此命令后，将回复一个ACK，然后等待一个来自于60h端口的Scan code set代码。系统必须在此命令之后发送给Keyboard一个Scan code set代码。当Keyboard收到此代码后，将再次回复一个ACK，然后将Scan code set设置为收到的Scan code set代码所要求的。

F2h
读取Keyboard ID。由于8042芯片后不仅仅能够接Keyboard。此命令是为了读取8042后所接的设备ID。设备ID为2个字节，Keyboard ID为83ABh。当键盘收到此命令后，会首先回复一个ACK，然后，将2字节的Keyboard ID一个一个回复回去。

F3h
设置Typematic Rate/Delay。当Keyboard收到此命令后，将回复一个ACK。然后等待来自于60h的设置字节。一旦收到，将回复一个ACK，然后将Keyboard Rate/Delay设置为相应的值。

F4h
清理键盘的Output Buffer。一旦Keyboard收到此命令，将会将Output buffer清空，然后回复一个ACK。然后继续接受Keyboard的击键。

F5h
设置默认状态(w/Disable)。一旦Keyboard收到此命令，将会将Keyboard完全初始化成默认状态。之前所有对它的设置都将失效——Output buffer被清空，Typematic Rate/Delay被设置成默认值。然后回复一个ACK，接着等待下一个命令。需要注意的是，这个命令被执行后，键盘的击键接受是禁止的。如果想让键盘接受击键输入，必须Enable Keyboard。

F6h
设置默认状态。和F5命令唯一不同的是，当此命令被执行之后，键盘的击键接收是允许的。

FEh
Resend。如果Keyboard收到此命令，则必须将刚才发送到8042 Output Register中的数据重新发送一遍。当系统检测到一个来自于Keyboard的错误之后，可以使用自命令让Keyboard重新发送刚才发送的字节。

FFh
Reset Keyboard。如果Keyboard收到此命令，则首先回复一个ACK，然后启动自身的Reset程序，并进行自身基本正确性检测（BAT-Basic Assurance Test）。等这一切结束之后，将返回给系统一个单字节的结束码（AAh=Success, FCh=Failed），并将键盘的Scan code set设置为2。


1.5.3 读到的数据


00h/FFh
当击键或释放键时检测到错误时，则在Output Bufer后放入此字节，如果Output Buffer已满，则会将Output Buffer的最后一个字节替代为此字节。使用Scan code set 1时使用00h，Scan code 2和Scan Code 3使用FFh。

AAh
BAT完成代码。如果键盘检测成功，则会将此字节发送到8042 Output Register中。

EEh
Echo响应。Keyboard使用EEh响应从60h发来的Echo请求。

F0h
在Scan code set 2和Scan code set 3中，被用作Break Code的前缀。

FAh
ACK。当Keyboard任何时候收到一个来自于60h端口的合法命令或合法数据之后，都回复一个FAh。

FCh
BAT失败代码。如果键盘检测失败，则会将此字节发送到8042 Output Register中。

FEh
Resend。当Keyboard任何时候收到一个来自于60h端口的非法命令或非法数据之后，或者数据的奇偶交验错误，都回复一个FEh，要求系统重新发送相关命令或数据。

83ABh
当键盘收到一个来自于60h的F2h命令之后，会依次回复83h，ABh。83AB是键盘的ID。

Scan code
除了上述那些特殊字节以外，剩下的都是Scan code。


1.6 端口操作

首先介绍一下端口的读写操作，驱动中使用函数 READ_PORT_UCHAR 进行读操作，READ_PORT_UCHAR 中使用CPU读端口指令，in。驱动中使用函数 WRITE_PORT_UCHAR 进行写操作，WRITE_PORT_UCHAR 中使用CPU写端口指令，out。

1.6.1 读取状态寄存器

读取状态寄存器的方法，对64h端口进行读操作。

1.6.2 读数据

需要读取的数据有，i8042从i8048得到的按键的扫描码，i8042命令的ACK，i8042从i8048得到的i8048命令的ACK，需要命令重发的RESEND，一些需要返回结果的命令得到的结果。

当有数据需要被驱动读走的时候，数据被放入输出缓冲器，同时将状态寄存器的bit0（OUTPUT_BUFFER_FULL）置1，引发键盘中断（键盘中断的IRQ为1）。由于键盘中断，引起由键盘驱动提供的键盘中断服务例程被执行。在键盘中断服务例程中，驱动会从i8042读走数据。一旦数据读取完成，状态寄存器的bit0会被清0。

读数据的方法，首先，读取状态寄存器，判断bit0，状态寄存器bit0为1，说明输出缓冲器中有数据。保证状态寄存器bit0为1，然后对60h端口进行读操作，读取数据。

这里我们要谈一点很有用的题外话，前面提到的 IRQ，是 Interrupt Request line，中断请求线，是一个硬件线，它和中断向量是不同的。中断向量是用来在中断描述符表(IDT)中查找中断服务例程的那个序号。键盘的 IRQ 是1，键盘中断服务例程对应的中断向量可不是1。这点要弄清楚。

1.6.3 向i8042发命令

当命令被发往i8042的时候，命令被放入输入缓冲器，同时引起状态寄存器的 Bit1 置1，表示输入缓冲器满，同时引起状态寄存器的 Bit2 置1，表示写入输入缓冲器的是一个命令。

向i8042发命令的方法，首先，读取状态寄存器，判断bit1，状态寄存器bit1为0，说明输入缓冲器为空，可以写入。保证状态寄存器bit1为0，然后对64h端口进行写操作，写入命令。


1.6.4 间接向i8048发命令

向i8042发这些命令，i8042会转发i8048，命令被放入输入缓冲器，同时引起状态寄存器的Bit1 置1，表示输入缓冲器满，同时引起状态寄存器的 Bit2 置1，表示写入输入缓冲器的是一个命令。这里我们要注意，向i8048发命令，是通过写60h端口，而后面发命令的参数，也是写60h端口。i8042如何判断输入缓冲器中的内容是命令还是参数呢，我们在后面发命令的参数中一起讨论。

向i8048发命令的方法，首先，读取状态寄存器，判断bit1,状态寄存器bit1为0，说明输入缓冲器为空，可以写入。保证状态寄存器bit1为0，然后对60h端口进行写操作，写入命令。

1.6.5 发命令的参数

某些命令需要参数，我们在发送命令之后，发送它的参数，参数被放入输入缓冲器，同时引起状态寄存器的Bit1 置1，表示输入缓冲器满。这里我们要注意，向i8048发命令，是通过写60h端口，发命令的参数，也是写60h端口。i8042如何判断输入缓冲器中的内容是命令还是参数呢。i8042是这样判断的，如果当前状态寄存器的Bit3 为1，表示之前已经写入了一个命令，那么现在通过写60h端口放入输入缓冲器中的内容，就被当做之前命令的参数，并且引起状态寄存器的 Bit3 置0。如果当前状态寄存器的 Bit3 为0，表示之前没有写入命令，那么现在通过写60h端口放入输入缓冲器中的内容，就被当做一个间接发往i8048的命令，并且引起状态寄存器的 Bit3 置1。

向i8048发参数的方法，首先，读取状态寄存器，判断bit1,状态寄存器bit1为0，说明输入缓冲器为空，可以写入。保证状态寄存器bit1为0，然后对60h端口进行写操作，写入参数。



"1 ps/2 键盘的硬件" 主要参考下面的资料，关于 ps/2 键盘硬件更多的内容也请参考下面的资料

[1] http://pagoda-ooos.51.net/os_book/driver/driver-keyboard_2.htm （中文）
[2] http://panda.cs.ndsu.nodak.edu/~achapwes/PICmicro/PS2.pdf （中文）
[3] http://panda.cs.ndsu.nodak.edu/~achapwes/PICmicro/ （英文）