用于NIOS II 嵌入式處理器系統(tǒng)的鼠標(biāo)控制器設(shè)計(jì)

隨著芯片制造技術(shù)的發(fā)展，SOPC（可編程單芯片系統(tǒng)）已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展方向。Altera公司推出的NIOS II嵌入式處理器系統(tǒng)，是目前比較流行的SOPC。它通常由NIOS II處理器、Avalon總線結(jié)構(gòu)和各種外圍設(shè)備（包括SDRAM控制器、DMA、CF卡控制器以及用戶自己設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備[1]等）的IP核三部分組成[2]，Altera的SOPC builder系統(tǒng)開發(fā)工具可以自動(dòng)生成這些組件以及聯(lián)結(jié)它們的總線。近些年來，NIOS II嵌入式處理器系統(tǒng)由于具有較高的性能，很好的設(shè)計(jì)靈活性，在嵌入式領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。另一方面，隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，鼠標(biāo)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。本文介紹了一個(gè)鼠標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)，不但支持標(biāo)準(zhǔn)PS/2（IBM PS/2）鼠標(biāo)，還支持微軟的Intellimouse，相比目前多數(shù)采用的另外加一個(gè)單片機(jī)作為鼠標(biāo)控制器的方式減少了系統(tǒng)成本，可以在采用NIOS II處理器的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。

1、鼠標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)

        本文所介紹的鼠標(biāo)控制器是一個(gè)Avalon從模式設(shè)備，遵循Avalon總線接口規(guī)范，并遵循PS/2通訊協(xié)議。

1.1 Avalon 總線從端口接口信號(hào)

        Avalon總線規(guī)范定義了外設(shè)可以包含的各種信號(hào)類型（例如地址、數(shù)據(jù)、時(shí)鐘等）[3]。本文所設(shè)計(jì)的鼠標(biāo)控制器是一個(gè)從模式設(shè)備, 它和Avalon總線通過從端口信號(hào)連接。部分Avalon從端口信號(hào)的方向和說明如表1所示。信號(hào)的方向是從外設(shè)的角度定義的。

表1  部分Avalon 從端口信號(hào)說明

１.2 PS/2通訊協(xié)議簡(jiǎn)介

　　PS/2通訊協(xié)議[4]是一種雙向同步串行通訊協(xié)議。通訊的兩端通過時(shí)鐘線同步，并通過數(shù)據(jù)線交換數(shù)據(jù)。

        標(biāo)準(zhǔn)PS/2 鼠標(biāo)支持X方向（左右）位移，Y方向（上下）位移，并支持左鍵，中鍵和右鍵。它發(fā)送位移和按鍵信息給主機(jī)采用3字節(jié)數(shù)據(jù)幀格式(表2所示的4字節(jié)數(shù)據(jù)中的前3個(gè)字節(jié))。微軟的Intellimouse是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PS/2 鼠標(biāo)的擴(kuò)展。它支持五個(gè)鼠標(biāo)按鍵和三個(gè)位移軸，左右，上下和滾輪（Z方向）。缺省情況下工作方式和標(biāo)準(zhǔn)的PS/2 鼠標(biāo)類似。要進(jìn)入滾輪模式主機(jī)應(yīng)該發(fā)送如下的命令序列：

　　設(shè)置采樣速率（0xf3） 200（0xc8）
　　設(shè)置采樣速率（0xf3） 100（0x64）
　　設(shè)置采樣速率（0xf3） 80 （0x50）

        在滾輪模式下鼠標(biāo)使用4字節(jié)的數(shù)據(jù)幀格式，如表2所示。

        另外，鼠標(biāo)上電后會(huì)載入缺省設(shè)置，其中之一是數(shù)據(jù)報(bào)告被禁止。要讓鼠標(biāo)開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，主機(jī)應(yīng)發(fā)送0xF4（使能鼠標(biāo)）命令給鼠標(biāo)。

表2  微軟的Intellimouse的數(shù)據(jù)幀格式

１.3 鼠標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[!--empirenews.page--]

         本文所提出的鼠標(biāo)控制器是一個(gè)Avalon從模式設(shè)備，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖１ 硬件結(jié)構(gòu)圖

        其設(shè)計(jì)由兩個(gè)文件組成，msmouse.v和ps2_mouse_interface.v。其中，msmouse.v是頂層文件，它定義了整個(gè)鼠標(biāo)控制器模塊和Avalon總線及外設(shè)的接口信號(hào)，這個(gè)文件的部分代碼如下：

module msmouse(clk,rst,irq,chipselect,read,write,address,readdata,writedata,
ps2_clk,ps2_data);
reg [31:0] command_reg; // address 00
wire [31:0] state; // address 01
wire [31:0] mouse_data; // address 10
wire [31:0] response_data;// address 11

wire wacc = chipselect & write;
wire racc = chipselect & read;
wire rx_read = (racc && (address != 2’b00)) ? 1:0 ;
wire rx_write = (wacc && (address == 2’b00)) ? 1:0 ;
assign mouse_data = {data_ready, 2’h0, left_button, right_button, middle_button, x_increment, y_increment, z_increment};
assign response_data = {write_ack, write_response};
assign state = {30’h0, write_sync , error_no_ack};
ps2_mouse_interface the_ps2(
.clk(clk64),
.left_button(left_button),
.x_increment(x_increment),
.write_data(command_reg[7:0]),
…… ……
.write_response(write_response),
.msmode(msmode),
.error_no_ack(error_no_ack)
);
endmodule

　　在msmouse的接口信號(hào)中，clk、rst、 chipselect等是和Avalon總線的接口信號(hào)。ps2_clk和ps2_data是和鼠標(biāo)的接口信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)是雙向的（inout類型）。為了和總線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，我們定義了四個(gè)32位寄存器，command_reg、state、 mouse_data和response_data。它們的偏移地址依次為0、1、2、3,根據(jù)address[1:0]的值決定要寫入或讀取哪一個(gè)寄存器。其中command_reg中存儲(chǔ)主機(jī)要發(fā)給鼠標(biāo)的命令；state反映鼠標(biāo)的狀態(tài)信息；mouse_data包含鼠標(biāo)的3個(gè)按鍵信息及在X方向，Y方向和滾輪的位移信息，其最高位表示數(shù)據(jù)是否有效；response_data里包含了主機(jī)發(fā)送命令給鼠標(biāo)后鼠標(biāo)的回應(yīng)信息，其最高位也表示數(shù)據(jù)是否有效。這四個(gè)寄存器通過ps2_mouse_interface元件中的x_increment和write_response 等接口信號(hào)和鼠標(biāo)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。msmode信號(hào)決定鼠標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)PS/2模式或Intellimouse模式。另外，為了讓下文所述的狀態(tài)機(jī)正常工作，我們?cè)谶@個(gè)文件中對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行了1/64分頻，作為ps2_mouse_interface元件的時(shí)鐘。

　　在ps2_mouse_interface.v中，我們通過一個(gè)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)主機(jī)和鼠標(biāo)之間的通訊。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。系統(tǒng)重啟之后,主機(jī)發(fā)送命令F4使能鼠標(biāo)，鼠標(biāo)響應(yīng)后進(jìn)入等待狀態(tài)。如果鼠標(biāo)有位移或按鍵事件發(fā)生，則進(jìn)入收集數(shù)據(jù)狀態(tài)。等數(shù)據(jù)收集結(jié)束并驗(yàn)證符合數(shù)據(jù)幀格式后輸出，否則重新回到等待狀態(tài)。如果在規(guī)定時(shí)間沒有收到完整的一幀數(shù)據(jù)，則重新使能鼠標(biāo)。在等待狀態(tài)下主機(jī)也可對(duì)鼠標(biāo)發(fā)送命令，然后等待鼠標(biāo)的響應(yīng)，并把響應(yīng)數(shù)據(jù)輸出。

由于標(biāo)準(zhǔn)PS/2模式和微軟的Intellimouse模式數(shù)據(jù)幀格式不同，因此要收集的數(shù)據(jù)位位數(shù)和數(shù)據(jù)幀格式的驗(yàn)證在兩種模式下是不同的。我們采用如下代碼驗(yàn)證在兩種模式下收到的數(shù)據(jù)幀是否有效：

assign packet_good = (~msmode)?
(
(q[0] == 0) && (q[11] == 0) && (q[22] == 0) // 起始位
&& (q[10] == 1)&& (q[21] == 1) && (q[32] == 1) // 停止位
&& (q[9] == ~^q[8:1]) && (q[20] == ~^q[19:12])
&& (q[31] == ~^q[30:23]) // 奇偶校驗(yàn)位
):
(
(q[0] == 0) && (q[11] == 0) && (q[22] == 0) && (q[33] == 0) //起始位
&& (q[10] == 1) && (q[21] == 1) && (q[32] == 1) && (q[43] == 1) //停止位
&& (q[9] == ~^q[8:1]) && (q[20] == ~^q[19:12])
&& (q[31] == ~^q[30:23]) &&(q[42] == ~^q[41:34]) //奇偶校驗(yàn)位
);[!--empirenews.page--]

        q是從鼠標(biāo)收到的數(shù)據(jù)，它的q[0]，q[11]等是起始位，應(yīng)為邏輯0；q[10]，q[21]等是停止位，應(yīng)是邏輯1；q[9]，q[20]等為奇偶校驗(yàn)位。在驗(yàn)證數(shù)據(jù)幀狀態(tài)下根據(jù)測(cè)試得到的packet_good信號(hào)值確定是跳轉(zhuǎn)到等待狀態(tài)還是輸出數(shù)據(jù)幀狀態(tài)。

        該鼠標(biāo)控制器缺省狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)PS/2模式，要進(jìn)入微軟的Intellimouse只需向鼠標(biāo)發(fā)送前文（見1.2）所提到的命令序列，并將msmode置為邏輯1即可。

2、鼠標(biāo)控制器的驗(yàn)證

        我們?cè)谝粋€(gè)使用Altera公司的Cyclone系列[5]的 EP1C6Q240C8 芯片的開發(fā)板上對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。在NiosII IDE集成開發(fā)環(huán)境[6]中我們編寫了一個(gè)測(cè)試程序。其部分代碼如下所示，它的作用是等待鼠標(biāo)事件的發(fā)生并打印鼠標(biāo)事件信息。

while (wait_rx_ready(0,PS2_READY,PS2_MOUSEDATA,&data) < 0);
if ((data & PS2_RBUTTON)){
printf("RBUTTON......n");}
else if ((data & PS2_LBUTTON)) {
printf("LBUTTON......n");}
else if((data & PS2_MBUTTON)) {
printf("MBUTTON......n");}
else {
xdata = (data & PS2_XMASK) >> PS2_XSHIFT;
ydata = (data & PS2_YMASK) >> PS2_YSHIFT;
zdata = (data & PS2_ZMASK) >> PS2_ZSHIFT;
printf("x: %d, y: %d, z: %dn", xdata, ydata, zdata);
}

         我們測(cè)試了一個(gè)帶滾輪的雙飛燕光電鼠標(biāo)和一個(gè)不帶滾輪的飛利浦的機(jī)械鼠標(biāo)。測(cè)試中，當(dāng)我們分別按下鼠標(biāo)左鍵，右鍵，及中鍵；或在水平方向，豎直方向移動(dòng)鼠標(biāo)；或者轉(zhuǎn)動(dòng)滾輪時(shí)，程序都會(huì)在NiosII IDE的Console窗口連續(xù)的打印出相應(yīng)的信息。滿足了我們支持標(biāo)準(zhǔn)PS/2（IBM PS/2）和微軟的Intellimouse兩種模式的要求。結(jié)果證明，本文所提出的設(shè)計(jì)是成功的。

3、結(jié)束語

        本文介紹了一個(gè)用于Nios II處理器系統(tǒng)的鼠標(biāo)控制器的設(shè)計(jì)，支持標(biāo)準(zhǔn)PS/2 鼠標(biāo)和微軟的Intellimouse。相比于其他嵌入式系統(tǒng)中采用另外增加一個(gè)單片機(jī)（如一般采用的Intel8042或AT89C51[7]等）作為鼠標(biāo)控制器來說，減少了系統(tǒng)成本，也減少硬件布板布線的復(fù)雜性，可以在Nios II處理器系統(tǒng)中廣泛使用。

        該設(shè)計(jì)最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于增加了讀取鼠標(biāo)響應(yīng)的功能，并實(shí)現(xiàn)了主機(jī)向鼠標(biāo)發(fā)送命令，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)微軟的Intellimouse的支持,相比參考文獻(xiàn)[8]中提到的2D鼠標(biāo)控制器有較大的改進(jìn)。