用于NIOS II 嵌入式处理器系统的鼠标控制器设计

随着芯片制造技术的发展，SOPC（可编程单芯片系统）已成为嵌入式系统设计的一个发展方向。Altera公司推出的NIOS II嵌入式处理器系统，是目前比较流行的SOPC。它通常由NIOS II处理器、Avalon总线结构和各种外围设备（包括SDRAM控制器、DMA、CF卡控制器以及用户自己设计的外围设备[1]等）的IP核三部分组成[2]，Altera的SOPC builder系统开发工具可以自动生成这些组件以及联结它们的总线。近些年来，NIOS II嵌入式处理器系统由于具有较高的性能，很好的设计灵活性，在嵌入式领域中的应用越来越广泛。另一方面，随着嵌入式系统的发展，鼠标在嵌入式系统中的应用越来越多。本文介绍了一个鼠标控制器的设计，不但支持标准PS/2（IBM PS/2）鼠标，还支持微软的Intellimouse，相比目前多数采用的另外加一个单片机作为鼠标控制器的方式减少了系统成本，可以在采用NIOS II处理器的嵌入式系统中应用。

1、鼠标控制器的设计

        本文所介绍的鼠标控制器是一个Avalon从模式设备，遵循Avalon总线接口规范，并遵循PS/2通讯协议。

1.1 Avalon 总线从端口接口信号

        Avalon总线规范定义了外设可以包含的各种信号类型（例如地址、数据、时钟等）[3]。本文所设计的鼠标控制器是一个从模式设备, 它和Avalon总线通过从端口信号连接。部分Avalon从端口信号的方向和说明如表1所示。信号的方向是从外设的角度定义的。

表1  部分Avalon 从端口信号说明

１.2 PS/2通讯协议简介

　　PS/2通讯协议[4]是一种双向同步串行通讯协议。通讯的两端通过时钟线同步，并通过数据线交换数据。

        标准PS/2 鼠标支持X方向（左右）位移，Y方向（上下）位移，并支持左键，中键和右键。它发送位移和按键信息给主机采用3字节数据帧格式(表2所示的4字节数据中的前3个字节)。微软的Intellimouse是对标准PS/2 鼠标的扩展。它支持五个鼠标按键和三个位移轴，左右，上下和滚轮（Z方向）。缺省情况下工作方式和标准的PS/2 鼠标类似。要进入滚轮模式主机应该发送如下的命令序列：

　　设置采样速率（0xf3） 200（0xc8）
　　设置采样速率（0xf3） 100（0x64）
　　设置采样速率（0xf3） 80 （0x50）

        在滚轮模式下鼠标使用4字节的数据帧格式，如表2所示。

        另外，鼠标上电后会载入缺省设置，其中之一是数据报告被禁止。要让鼠标开始发送数据包，主机应发送0xF4（使能鼠标）命令给鼠标。

表2  微软的Intellimouse的数据帧格式

１.3 鼠标控制器的设计实现

         本文所提出的鼠标控制器是一个Avalon从模式设备，硬件结构如图1所示：

图１ 硬件结构图

        其设计由两个文件组成，msmouse.v和ps2_mouse_interface.v。其中，msmouse.v是顶层文件，它定义了整个鼠标控制器模块和Avalon总线及外设的接口信号，这个文件的部分代码如下：

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的接口信号中，clk、rst、 chipselect等是和Avalon总线的接口信号。ps2_clk和ps2_data是和鼠标的接口信号，这两个信号是双向的（inout类型）。为了和总线模块进行数据交互，我们定义了四个32位寄存器，command_reg、state、 mouse_data和response_data。它们的偏移地址依次为0、1、2、3,根据address[1:0]的值决定要写入或读取哪一个寄存器。其中command_reg中存储主机要发给鼠标的命令；state反映鼠标的状态信息；mouse_data包含鼠标的3个按键信息及在X方向，Y方向和滚轮的位移信息，其最高位表示数据是否有效；response_data里包含了主机发送命令给鼠标后鼠标的回应信息，其最高位也表示数据是否有效。这四个寄存器通过ps2_mouse_interface元件中的x_increment和write_response 等接口信号和鼠标接口进行数据传送。msmode信号决定鼠标是在标准PS/2模式或Intellimouse模式。另外，为了让下文所述的状态机正常工作，我们在这个文件中对系统时钟进行了1/64分频，作为ps2_mouse_interface元件的时钟。

　　在ps2_mouse_interface.v中，我们通过一个状态机实现主机和鼠标之间的通讯。其状态转换图如图2所示。系统重启之后,主机发送命令F4使能鼠标，鼠标响应后进入等待状态。如果鼠标有位移或按键事件发生，则进入收集数据状态。等数据收集结束并验证符合数据帧格式后输出，否则重新回到等待状态。如果在规定时间没有收到完整的一帧数据，则重新使能鼠标。在等待状态下主机也可对鼠标发送命令，然后等待鼠标的响应，并把响应数据输出。

由于标准PS/2模式和微软的Intellimouse模式数据帧格式不同，因此要收集的数据位位数和数据帧格式的验证在两种模式下是不同的。我们采用如下代码验证在两种模式下收到的数据帧是否有效：

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]) // 奇偶校验位
):
(
(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]) //奇偶校验位
);

        q是从鼠标收到的数据，它的q[0]，q[11]等是起始位，应为逻辑0；q[10]，q[21]等是停止位，应是逻辑1；q[9]，q[20]等为奇偶校验位。在验证数据帧状态下根据测试得到的packet_good信号值确定是跳转到等待状态还是输出数据帧状态。

        该鼠标控制器缺省状态为标准PS/2模式，要进入微软的Intellimouse只需向鼠标发送前文（见1.2）所提到的命令序列，并将msmode置为逻辑1即可。

2、鼠标控制器的验证

        我们在一个使用Altera公司的Cyclone系列[5]的 EP1C6Q240C8 芯片的开发板上对该设计进行了验证。在NiosII IDE集成开发环境[6]中我们编写了一个测试程序。其部分代码如下所示，它的作用是等待鼠标事件的发生并打印鼠标事件信息。

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: %d\n", xdata, ydata, zdata);
}

         我们测试了一个带滚轮的双飞燕光电鼠标和一个不带滚轮的飞利浦的机械鼠标。测试中，当我们分别按下鼠标左键，右键，及中键；或在水平方向，竖直方向移动鼠标；或者转动滚轮时，程序都会在NiosII IDE的Console窗口连续的打印出相应的信息。满足了我们支持标准PS/2（IBM PS/2）和微软的Intellimouse两种模式的要求。结果证明，本文所提出的设计是成功的。

3、结束语

        本文介绍了一个用于Nios II处理器系统的鼠标控制器的设计，支持标准PS/2 鼠标和微软的Intellimouse。相比于其他嵌入式系统中采用另外增加一个单片机（如一般采用的Intel8042或AT89C51[7]等）作为鼠标控制器来说，减少了系统成本，也减少硬件布板布线的复杂性，可以在Nios II处理器系统中广泛使用。

        该设计最大的创新点在于增加了读取鼠标响应的功能，并实现了主机向鼠标发送命令，在此基础上实现了对微软的Intellimouse的支持,相比参考文献[8]中提到的2D鼠标控制器有较大的改进。