实验八：PS/2模块② — 键盘与组合键
实验七之际，我们学习如何读取PS/2键盘发送过来的通码与断码，不过实验内容也是一键按下然后释放，简单按键行为而已。然而，实验八的实验内容却是学习组合键的按键行为。
不知读者是否有类似的经历？当我们使用键盘的时候，如果5~6按键同时按下，电脑随之便会发出“哔哔”的警报声，键盘立即失效。这是键盘限制设计，不同产品也有不同限制的按键数量。默认下，最大按键数量是5~7个。所谓组合键就是两个以上的按键所产生的有效按键。举例而言，按下按键 <A> 输出“字符a”，按下 <Shift> + <A>便输出“字符A”。不过要实现组合键，我们必须深入了解键盘的按键行为不可。
图8.1 按下又立即释放。
PS/2键盘最常见的按键行为是按下以后又立即释放，假设笔者按下<A>键又立即释放<A>键，那么PS/2键盘便会产生类似图8.1的时序。如图8.1所示，当笔者按下 <A> 的时候，PS/2键盘便会发送8’h1C的通码；反之，如果 <A> 被释放，PS2键盘也会立即发送8’hF0 8’h1C的断码。
图8.2 长按又立即释放。
如果笔者手痒长按 <A> 不放，那么PS/2键盘便会按照100ms的间隔时间，不断发送通码 8’h1C。期间，如果笔者释放 <A>，那么PS/2键盘便会发送 8’hF0 8’h1C的断码，时序结果如图8.2所示。不管是图8.1还是图8.2的情况，都是PS/2键盘最常见的按键行为，亦即单键行为。话虽如此，单键行为既是最基础的按键行为，多键行为也必须基于它。
图8.3 多键行为，先按后放①。
多键行为不同单键行为，因为多键行为同时存在两个以上的按键被按下，因此多键行为便有先按后放，先按先放等次序。假设笔者先按下<A>，然后又按下<LShift>，随之PS/2键盘便会接续发送通码 8’h1C与 8’h12。如果笔者想要撒手， <LShift> 必须事先释放，再者是 <A>，结果PS/2键盘便会连续发送 8’hF0 8’h12 与 8’hF0 8’h1C的断码。
图8.3 多键行为，先按后放②。
再假设笔者先按下 <A> 后按下 <LShift> 以后并没有立即释放任何按键，作为最后按下的按键，它可以得到执行权。如图8.3所示，笔者先是按下 <A> 然后又按下 <Shift>，那么PS/2键盘便会接续发送 8’h1C 与 8’h12等通码。假设笔者手指麻痹没有立即释放任何按键，那么 <LShift> 就会得到执行权，结果保持长按状态。此刻，PS/2键盘便会不停发送 <LShift> 的通码。
一旦手指回复知觉，然后按照先按后放的次序，先行释放 <LShift> 然后释放 <A>
，结果PS/2键盘便会接续发送 8’hF0 8’h12 与 8’hF0 8’h1C 等断码。
图8.5 多键行为，先按先放。
如果读者不是按照先按后放，而是先按先放的次序，先按下 <A>，后按下 <LShift> 的话 ... 如图8.5所示，假设笔者先按下 <A>，然后又按下 <LShift>，此刻PS/2键盘便会接续发送 8’h1C与 8’h12等通码。期间，笔者忽然手痒，觉得先按先放比较好玩，于是笔者故意松开 <A>，此刻PS/2键盘便会发送 8’hF0 8’h1C的断码。
同一时刻，<LShift> 亦然保持按下的姿势，PS/2键盘发送完毕 <A> 的断码以后，PS/2键盘也会不停发送 <LShift> 的通码 ... 直至笔者释放 <LShift>，PS/2键盘发送 8’hF0 8’h12的断码为止。
多键行为的终点就在于“先按后放”还是“先按先放”。不管是哪一种次序，下一刻按键都会抢夺上一刻按键的执行权与长按状态。不过根据习惯，先按后放固然已经成为主流，唯有意外或者那个神经不协调的*才会选择先按先放的次序。当我们理解PS/2键盘的多键行为以后，我们便可以开始实现组合键。
根据笔者的认识，PS/2键盘也有按键分类，如: <Shift>，<Ctrl> 还有 <Alt> 等按键，它们都是常见的组合（补助）按键。除此之外，笔记本或者一些特殊键盘也有不同的组合键，如：<FN> 与 <WIN> 按键。一般而言，我们都认为组合键是软件的工作，虽然这是不择不扣的事实，不过我们只要换个思路，Verilog也可以实现组合键。对此，我们只要将一只组合键视为一个立旗状态，所有难题都能迎刃而解。
图8.6 组合键与立旗状态。
假设笔者先按下 <LCtrl> 又按下 <LShift>，PS/2键盘发送完毕 <LCtrl> 的通码以后，isCtrl便会立旗。紧接着PS/2键盘又会发送 <L Shift> 的通码，随后 isShift也会立旗。
事后，笔者先释放 <LShift> 再释放 <LCtrl>，那么PS/2键盘便会接续发送 <LShift> 与 <LCtrl> 的断码。<LShift> 断码发送完毕以后，isShift便会消除立旗。同样 <LCtrl>断码发送完毕以后 isCtrl也会消除立旗。
图8.7 有效的组合键①。
为了表示有效的组合键，我们依然需要isDone这个高脉冲，我们虽然知道isDone产生高脉冲都是一般通码输出以后。不过在此，组合键不被认为是一般通码。如图8.7所示，假设笔者先按下 <LShift> 又按下 <A>，<LShift> 通码发送完毕以后便立旗 isShift；<A> 通码 发送完毕以后便拉高一会 isDone。如果此刻 isShift为拉高状态，而且通码<A> 又有效，那么有效的组合键 <Shift> + <A> 便产生。
完后，笔者先释放 <A> 在释放 <LShift>，PS/2键盘便会接续发送 <A> 与 <LShift>的断码。<A> 的断码没有产生任何效果，反之 <LShift> 的断码则消除 isShift的立旗状态。
图8.8 有效的组合键②。
为了产生各种各样的有效组合键，我们不可能不断按下又释放组合键 ... 换言之，不断切换的家伙只有非组合键而已，组合键则一直保持有效的状态，直至发送断码为止。如图8.8所示，假设笔者先按下 <LShift> 又按下 <A>， <LShift> 通码使 isShift 立旗，<A> 通码使 isDone产生高脉冲，对此组成键 <Shift> + <A> 完成。
随后，笔者释放 <A>，PS/2键盘便发送 <A> 断码。不一会，笔者又按下 <B>，<B>通码使 isDone产生高脉冲，结果完成组合键 <Shift> + <B>。事后，笔者释放 <B> 又释放 <LShift>，PS/2键盘便会接续发送断码 <B> 与 <LShift>，<B> 断码没有异样，<LShift> 断码则消除 isShift 的立旗状态。
图8.9 多状态有效组合键。
除了当个组合键（一个立即状态）以外，同样的道理也能实现多个组合键（多个立旗状态）。如图8.9所示，笔者先是按下 <LCtrl> 又按下 <LShift>，<LCtrl>通码立旗 isCtrl状态，<LShift> 通码则立旗 isShift 状态。紧接着笔者又按下 <A>，<A>通码导致 isDone产生一个高脉冲，此刻组合键 <Ctrl> + <Shift> + <A> 已经完成。然后笔者释放 <A> 使其产生 <A>断码。
不一会，笔者又按下 <B>，结果 <B> 通码驱使 isDone又产生另一个高脉冲，此刻组合键 <Ctrl> + <Shift> + <B> 已经完成。心满意足的笔者接续释放 <B>，<LShift> 还有 <LCtrl>。<B> 断码没有任何异样，<LShift> 断码消除 isShift立旗状态，<LCtrl> 断码则消除 isCtrl立旗状态。
一般而言，组合键最多可以达到3级，亦即 <Ctrl> + <Shift> + <Alt> + ?。话虽如此，除非对方的手指比猴子更灵活，不然要同时按照次序按下4个按键是一件容易伤害手指的蠢事。换之，一级与两级的组合键已经足够应用。理论上，Verilog要实现多少级组合键也没有问题，但是过多的功能只是浪费而已。
好了，上述这些内容理解完毕以后，我们便可以开始建模了！
图8.10 实验八建模图。
图8.10是实验八的建模图，一个名为ps2_demo的组合模块，内含PS/2功能模块，还有数码管基础模块。PS/2功能模块的左方是 PS2_CLK 与 PS2_DAT 等顶层信号的输入，右方则是oData与oTag联合驱动数码管基础模块。对此，数码管除了输出通码以外，数码管也会表示组合键的有效状态。
ps2_funcmod.v
图8.11 PS/2功能模块的建模图。
相较图8.10与图8.11，图8.11的PS/2功能模块还有oTrig，用来发送isDone的高脉冲。至于具体内容如何，让我们来瞧瞧代码吧：
1. module ps2_funcmod
2. (
3. input CLOCK, RESET,
4. input PS2_CLK, PS2_DAT,
5. output oTrig,
6. output [7:0]oData,
7. output [2:0]oTag
8. );
以上内容为出入端声明。
9.
10. parameter LSHIFT = 8'h12, LCTRL = 8'h14, LALT = 8'h11, BREAK = 8'hF0;
11. parameter FF_Read= 5'd5;
12.
13. /*******************************/ // sub1
14.
15. reg F2,F1;
16.
17. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
18. if( !RESET )
19. { F2,F1 } <= 2'b11;
20. else
21. { F2, F1 } <= { F1, PS2_CLK };
22.
23. /*******************************/ // core
24.
25. wire isH2L = ( F2 == 1'b1 && F1 == 1'b0 );
以上内容为常量声明，周边操作以及即时声明。第10行是 LSHIFT，LCTRl 还有 LALT 等通码的常量声明。此外也有 BREAK 断码第一帧数据，还有伪函数的入口（第11行）。第15~21行是用来检测电平变化的周边操作，第25行则是下降沿的即时声明。
26. reg [7:0]D1;
27. reg [2:0]isTag; // [2] isShift, [1] isCtrl, [0] isAlt
28. reg [4:0]i,Go;
29. reg isDone;
30.
31. always @ ( posedge CLOCK or negedge RESET )
32. if( !RESET )
33. begin
34. D1 <= 8'd0;
35. isTag <= 3'd0;
36. i <= 5'd0;
37. Go <= 5'd0;
38. isDone <= 1'b0;
39. end
40. else
以上内容是相关的寄存器声明以及复位操作。期间 isTag是状态寄存器，isTag[2] 标示 isShift，isTag[1] 标示 isCtrl，isTag[0] 标示 isAlt。第33~38行则是这番寄存器的复位操作。
65. /****************/ // PS2 Read Function
66.
67. 5: // Start bit
68. if( isH2L ) i <= i + 1'b1;
69.
70. 6,7,8,9,10,11,12,13: // Data byte
71. if( isH2L ) begin i <= i + 1'b1; D1[ i-6 ] <= PS2_DAT; end
72.
73. 14: // Parity bit
74. if( isH2L ) i <= i + 1'b1;
75.
76. 15: // Stop bit
77. if( isH2L ) i <= Go;
78.
79. endcase
以上内容为部分核心操作的伪函数。该伪函数读取PS/2的1帧数据。
41. case( i )
42.
43. 0: // Read Make
44. begin i <= FF_Read; Go <= i + 1'b1; end
45.
46. 1: // Set Flag
47. if( D1 == LSHIFT ) begin isTag[2] <= 1'b1; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0;end
48. else if( D1 == LCTRL ) begin isTag[1] <= 1'b1; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end
49. else if( D1 == LALT ) begin isTag[0] <= 1'b1; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end
50. else if( D1 == BREAK ) begin i <= FF_Read; Go <= i + 5'd3; end
51. else begin i <= i + 1'b1; end
52.
53. 2:
54. begin isDone <= 1'b1; i <= i + 1'b1; end
55.
56. 3:
57. begin isDone <= 1'b0; i <= 5'd0; end
58.
59. 4: // Clear Flag
60. if( D1 == LSHIFT ) begin isTag[2] <= 1'b0; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end
61. else if( D1 == LCTRL ) begin isTag[1] <= 1'b0; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end
62. else if( D1 == LALT ) begin isTag[0] <= 1'b0; D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end
63. else begin D1 <= 8'd0; i <= 5'd0; end
以上内容是核心操作，操作的过程如下：
步骤0，进入伪函数等待读取通码，并且Go指向下一个步骤。
步骤1，检测组合键与断码，如果是LShift 那么isTag[2]立旗，然后返回步骤0；如果是 LCTRL 那么 isTag[1] 立旗，然后返回步骤0；如果是 LALT 那么 isTag[0] 立旗，然后返回步骤0。如果是 BREAK便进入伪函数，然后Go指向步骤4。如果什么都不是便进入步骤2~3。
步骤2~3，产生完成信号，然后返回步骤0。
步骤4，用来消除立旗状态。步骤1为 BREAK便会进入这里，如果断码为 LSHIFT便会消除 isTag[2]，LCTRL消除 isTag[1]，LALT 消除 isTag[0]，无视其它断码。最后返回步骤0。
80.
81. assign oTrig = isDone;
82. assign oData = D1;
83. assign oTag = isTag;
84.
85. endmodule
第81~83行是输出驱动声明。
ps2_demo.v
笔者在此就不再重复粘贴建模图了，请自行复习图8.10。
1. module ps2_demo
2. (
3. input CLOCK, RESET,
4. input PS2_CLK, PS2_DAT,
5. output [7:0]DIG,
6. output [5:0]SEL
7. );
8. wire [7:0]DataU1;
9. wire [2:0]TagU1;
10.
11. ps2_funcmod U1
12. (
13. .CLOCK( CLOCK ),
14. .RESET( RESET ),
15. .PS2_CLK( PS2_CLK ), // < top
16. .PS2_DAT( PS2_DAT ), // < top
17. .oTrig(),
18. .oData( DataU1 ), // > U2
19. .oTag( TagU1 ) // > U2
20. );
21.
22. smg_basemod U2
23. (
24. .CLOCK( CLOCK ),
25. .RESET( RESET ),
26. .DIG( DIG ), // > top
27. .SEL( SEL ), // > top
28. .iData( { 12'h000 , 1'b0, TagU1, DataU1 } ) // < U1
29. );
30.
31. endmodule
基本上，ps2_demo 的内容并没有什么难度，所有连线部署都按照图8.10。至于第28行，DataU1还有 TagU1联合驱动数码管基础模块的iData。换句话说，无视数码管的1~3位，第4位数码管显示组合键状态，第5~6位数码管则显示通码。
编译完后便下载程序。如果同时按下 <LShift> + <LCtrl> + <LAlt>，第4位数码管便会显示 4’h7，亦即 4’b0111，或者说 isTag[2..0] 皆为立旗状态。如果按下其它按键，如 <A>，那么第5~6位的数码管便会显示 8’h1C。假设释放 <LShift>，第4位数码管便会显示4’h3，亦即 4’b0011，或者说 isTag[1..0] 皆为立旗状态。释放 <A>，第5~6位数码管则会显示 8’h00。
细节一：完整的个体模块
图8.12 PS/2键盘功能模块。
图8.12是PS/2键盘功能模块，内容基本上与PS/2功能模块一模一样，至于区别就是穿上其它马甲而已，所以怒笔者不再重复粘贴了。