Контроллер интерфейса клавиатуры и мыши 8042/8242

 

Программируемый микроконтроллер клавиатуры i8042, KBC (keyboard controller), является посредником между клавиатурой, подключенной к нему по вышеописанному последовательному интерфейсу, и центральным процессором, с которым он связан через параллельный интерфейс. В микроконтроллере постоянно исполняется внутренняя микропрограмма, реагирующая на сигналы интерфейса клавиатуры и команды, поступающие от процессора. Эта микропрограмма (KBC BIOS) хранится во внутреннем масочном ПЗУ контроллера; внешне она недоступна, и контроллер можно рассматривать как устройство с заданными свойствами. Поскольку логика работы контроллера реализована программой, его реакция на команды процессора и сигналы интерфейса относительно медленная — время отклика измеряется десятками микросекунд. Помимо управления клавиатурой через программно-управляемые и программно-читаемые линии внешних портов контроллера формируются сигналы управления вентилем Gate A20, аппаратного системного сброса, а также считываются сигналы от конфигурационных джамперов системной платы. Контроллер 18242, кроме интерфейса клавиатуры, поддерживает аналогичный интерфейс дополнительного устройства — PS/2-Mouse. При инициализации (по аппаратному сбросу) контроллер установится в режим PS/2 или AT, в зависимости от состояния определенного вывода микросхемы. В режиме AT контроллер не выполняет функции интерфейса мыши и игнорирует все команды, относящиеся к мыши. Режим выбирается соответствующей настройкой BIOS Setup.

Связь контроллера с центральным процессором обеспечивается через 8-битную шину данных. Контроллер выбирается сигналом CS# от дешифратора адреса, срабатывающего по адресам 0060h и 0064h; внутренние регистры контроллера выбираются линией SA2 системной шины адреса. Чтение и запись выполняется по сигналам IORD# и IOWR#, генерируемых при выполнении процессором инструкций IN и OUT. Таким образом, контроллер располагается в пространстве ввода-вывода CPU по адресам 60h (регистр данных) и 64h (регистр состояния и команд), назначение регистров приведено в табл. 8.1. Из регистра данных считываются данные, принимаемые по интерфейсам от клавиатуры и мыши, а также данные, возвращаемые контроллером в ответ на адресованные ему команды. Запись в регистр данных используется для подачи команд и данных, адресованных к клавиатуре и мыши, а также данных для команд, адресованных контроллеру. В регистр команд записываются команды, адресованные контроллеру. Режим работы контроллера (разрешение работы интерфейсов клавиатуры и мыши и прерываний от них, трансляция скан-кодов и другие параметры) задается командным байтом, посылаемым в контроллер по специальной команде. Перед любой записью в контроллер необходимо убедиться в его готовности. Признаком готовности/занятости контроллера является значение бита 1 регистра состояния (порт 064h).

 

Таблица 8.1. Назначение регистров контроллера клавиатуры

 

Порт, R/W	Назначение
060 RW	Порт данных 8042
064 R	Регистр состояния 8042 (R/O): бит 7 — ошибка четности при последнем обмене с клавиатурой; бит 6 — тайм-аут приемника/общий тайм-аут¹; бит 5 — тайм-аут передатчика/выходной буфер интерфейса мыши полон (Mouse_OBF)¹; бит 4: 0 — клавиатура на замке; бит 3:1 — последняя запись была командой, 0 — данными; бит 2: системный флаг, устанавливается в 0 по включении питания, в 1 — программно (что означает состояние завершения системного сброса Reset OK); бит 1: 1 — входной буфер интерфейса клавиатуры полон, 0 — готовность к приему команды/данных; бит 0: 1— выходной буфер интерфейса клавиатуры полон (OBF)
064 W	Регистр команд 8042

¹Второе назначение бита относится к контроллеру i8242B, имеющему дополнительный интерфейс для подключения PS/2-Mouse.

 

Контроллер имеет два внешних порта, с помощью которых и реализуются последовательные интерфейсы, а также управление вентилем GateA20, сигналом сброса процессора и чтением сигналов от джамперов системной платы и ключа блокировки клавиатуры. Эти порты не имеют непосредственного отображения в пространстве адресов ввода-вывода PC; доступ к ним осуществляется через команды контроллера. Кроме этих портов контроллер имеет два специальных входа T0 и T1, которые могут считываться его микропрограммой и использоваться в качестве источников его внутренних прерываний (это не прерывания CPU). Каждая из двунаправленных интерфейсных линий KB-Data, KB-Clock, MS-Data и MS-Clock реализуется битом порта вывода и битом ввода. В режиме PS/2 для чтения линий KB-Clock и MS-Clock используются входы T0 и T1, в режиме AT вход T1 используется для линии KB-Data.

Порт ввода P1 доступен по команде C0h; в режиме PS/2 имеет следующее назначение бит:

♦ бит 7 — ключ блокировки клавиатуры (Keylock): 0 — клавиатура заблокирована;

♦ бит 6 — перемычка установки видеорежима: 0 — цветной (Color), 1 — монохромный (Mono);

♦ бит 5 — системная перемычка: 0 —замкнута;

♦ бит 4 — перемычка задания объема ОЗУ: 0 — 256 Кбайт, 1 — 512 Кбайт и более;

♦ биты 3, 2 — не используются;

♦ бит 1 — линия MS-Data;

♦ бит 0 — линия KB-Data.

В современных ПК используются только биты 0, 1 и 7; в режиме AT биты 0 и 1 не используются.

Порт вывода (P2), доступный для записи и чтения по командам D1h и D0h соответственно, имеет следующее назначение бит:

♦ бит 7 — линия KB-Data;

♦ бит 6 — линия KB-Clk;

♦ бит 5 — запрос прерывания от дополнительного интерфейса (IRQ12), в режиме AT не используется;

♦ бит 4 — запрос прерывания от клавиатуры (IRQ1);

♦ бит 3 — линия MS-Clk, в режиме AT не используется;

♦ бит 2 — линия MS-Data, в режиме AT не используется;

♦ бит 1 — вентиль линии адреса A20 (Gate A20, см. п. 12.3): 0 — A20 обнулен, 1 — управляется выводом процессора;

♦ бит 0 — альтернативный сброс процессора (сигнала INIT, без формирования общего сигнала сброса).

Приняв посылку от клавиатуры, контроллер выполняет внутреннюю трансляцию скан-кода (если это не запрещено командным байтом) и устанавливает в регистре состояния OBF=1, что приводит к генерации запроса прерывания IRQ1 (если это не запрещено командным байтом). В ответ на это хост должен считать данные (транслированный скан-код, префиксы и т.п.) из порта данных (60h). Трансляция обеспечивает программную совместимость клавиатур XT и AT (см. ниже) по чтению скан-кодов из порта 60h. При получении посылки от мыши контроллер не выполняет никаких преобразований и устанавливает в регистре состояния Mouse_OВF=1, что приводит к генерации запроса прерывания IRQ12 (если это не запрещено командным байтом). По этому сигналу данные от мыши должны быть считаны хостом из того же порта 60h. To же самое происходит и при программной записи байта в выходной буфер клавиатуры (код D2h) или мыши (код D3h), с установкой соответствующих битов состояния и генерацией запросов IRQ1 или IRQ12.

После получения команды, по которой контроллер должен возвращать данные, он устанавливает в регистре состояния OBF=1, что приводит к генерации запроса прерывания IRQ1 (если это не запрещено командным байтом). После этого данные должны быть считаны из порта данных (по адресу 60h). Если команда возвращает несколько байтов данных, прерывание генерируется для каждого байта.

Взаимодействие с контроллером осуществляется подачей команд — записью в регистр команд (по адресу 064h). Перед посылкой команды необходимо убедиться в готовности контроллера к ее приему — бит 1 порта 64h должен иметь нулевое значение. Подробно команды контроллера описаны в литературе [2, 8]. Контроллеры клавиатуры различаются версиями встроенного ПО, поэтому замена контроллера другим, с отличающейся версией ПО (KBC BIOS), может оказаться проблематичной — микросхема BIOS системной платы должна знать особенности контроллера клавиатуры.