Spartan-3A スタータキット
〜PS/2キーボードからの入力〜
2007/04/20
LCD表示もできたし，VGA出力もできた．とりあえず出力はオッケーだ． 次は入力だ．手始めに，PS/2キーボードを繋げてみよう．
PS/2のプロトコルについても， こちらで説明した ユーザーガイド(ug330.pdf)に詳細がある． Spartan-3Eスタータキットのユーザーガイドの日本語版(j_ug230.pdf)も参考になる． またネットで検索しても，いくつか情報が見つかる．
ただしSpartan3Aスタータキットでは， PS/2の分岐ケーブルを使って，２入力(マウスとキーボード) にすることができるようになっているようだ(Spartan3Eボードではできない)． これは，Spartan3EスタータキットではPS/2コネクタ(6pin)の1番，5番ピンのみ FPGAに接続されているのに対して， Spartan3Aスタータキットでは2番，6番ピンも接続されているため． なのでSpartan3AスタータキットのUCFファイルでは， PS2_CLK1,PS2_DATA1,PS2_CLK2,PS2_DATA2 の４つの信号が定義されている． これらをキーボードとマウスで使用することができる．
あと，PS/2のプロトコルは双方向らしい．
双方向ってどういうことだ？HDLで書くときは，どーいうタイミングで 値を読み取ればいいんだ！？ 出力しながら値を読むこともできるのか？？？ こーいうことってハードやってる人なら誰でも知ってるあたりまえのこと なのかもしれんが， もともとソフトウエア出身で，回路初心者のぼくにはよくわからん．うーん困った．
PS/2のプロトコルは，ネット上で探すとそれなりに見つかる． 要約すると，こんな感じ．
うーん，プロトコルの内容はわかるんだけど，結局のところ， VerilogHDLではどう書けばいいのだろうか．
「クロックは通常は常に１になっているが，キーボード側からデータを送信したい 場合には０にする」というのは，まあよい．しかし，ということはPC側は 「クロックを通常は１に保ち，キーボード側が０にしたらデータを読み取る」 という動作が必要になる気がする． つまり，１を出力しつつも，０になっていないかどうかを見る必要がある， のだと思う． たとえばVerilogHDLで，あるピンをinoutに定義して
inout CLK;
assign CLK = 1'b1; // 通常はhighを出力
always @(CLK)
begin
if (CLK == 1'b0) ...
のように書けば，普段は１なのだが，相手が０を出力したときには反応することが
できるのだろうか？ うーんよくわからん．そもそも線は１本で，
自身は１を出力しているのに，相手が１とか０を出力したことを
こちらで読めるもんなのだろうか？
(自身が１を出力しているのだから，読み取る値は常に１になるんではないの？)
それとも
inout CLK;
assign CLK = 1'bZ; // ハイインピーダンス
always @(CLK)
begin
if (CLK == 1'b0) ...
としてハイインピーダンス状態にしておけばいいのだろうか？
でもこれだと，PC側もキーボード側も何も出力していないときに，
「何もないときはクロックは１になっている」ということを実現できない．
うーん困った．
で，いろいろ調べたのだけど，結論から言うと， PS/2キーボードは「オープンコレクタ」という接続になっていて， 通常は信号線がhighなのだけど，情報を出力したい場合には lowを出力することで，誰かが０を出力したことを感知できるようだ． 詳しくは「プルアップ」「オープンコレクタ」「ワイアードオア」 「トライステート(３ステート)」「ハイインピーダンス」 などのキーワードで検索とかして調べてほしい． Wikipediaの 「デジタル回路」の説明が詳しくて良いと思う．
これにより双方向通信(もしくはバス接続)で，デフォルトでは１だが， 情報送信時には０にする(そして誰かが０を出力したことを，他の相手は感知できる) ということができるらしい． この場合，FPGA側では通常はクロックをハイインピーダンスにしておけばよい． クロックラインがオープンコレクタでプルアップされているならば， PC側もキーボード側も無出力(ハイインピーダンス)のときには， クロックライン自体はhighの状態になる． そしてPCとキーボードは，クロックラインの状態を見ることができる．
問題は，クロックとデータをオープンコレクタにするためには， これらの線をプルアップしなければならないということ． たとえば Interface誌 2006/01月号にはPS/2キーボードの制御についての記事があるが， ここで扱っている回路は回路側でプルアップが行われているので， 回路側でオープンコレクタになっている． しかしSpartan3Aスタータキットのユーザーガイド(ug330.pdf)の回路図では， スタータキットのPS/2コネクタはFPGAに直結されているため， プルアップはされていない．どーすりゃいいのやら． キーボード側でプルアップされていたりするということはないのかしらん．
UCFファイルでPULLUPというキーワードがある． もしかしたら，プルアップされるように設定することができるのかもしれない (それとも「この線は回路側でプルアップされている」という意味かしら． 詳細未調査．間違っていたらごめんなさい)． このへんについてはXilinxのホームページ の，マニュアルのダウンロードページで， ソフトウエアマニュアル→ ISE9.1iソフトウエアマニュアルの 「制約ガイド(日本語版)」(j_cgd.pdf)というのに詳細がある．
まあでもスタータキット標準のUCF(s3astarter.ucf)を見ても， PULLUPはとくに指定されていないようだし， UCFでPULLUP指定しちゃっていいものかどうかよくわからん． 試してみるのが一番手っ取り早いんだけど， FPGA関連の資料って， 「へんなことをすると，チップの破損に繋がる」 みたいなことがいろんなところに書いてあって， 気軽に試すのはちょっとこわい部分がある． とくに今回の「オープンコレクタ」は，失敗すると自分と相手で電圧がぶつかったり， 電流が流れ過ぎたり(そしてこわれたり)するのかなー， などと初心者的に不安になってしまい，十分に調べてから試したい，というのもある．
で，Spartan3Aスタータキットのユーザーガイドをよく読むと， 「キーボードはオープンコレクタ・ドライバを利用するが，キーボードにデータを 送信しないならば，何も考えずにinputで入力してしまってかまわない」 と書いてある (ここでいう「ドライバ」は，「電圧をドライブする回路」という意味ね． いわゆる「デバイスドライバ」ではない．つまりここで言っているのは， 「オープンコレクタにしなけりゃならない」ということ)． なので，あまり難しいことは考えずに，ユーザーガイドのとおりに inputで入力することにする． うーん，キーボード側でプルアップされているということなのかなあ．．． うーん不明．
で，できたのがこんなかんじ．
キーボード上で押されたキーのスキャンコードをLEDで表示する． スキャンコードは，キーボードのキーごとに割り当てられているコードのことで， キーボードはキーが押されると，スキャンコードを送信することで どのキーが押されたのかを通知する．まあこのへんはユーザーガイド参照． ちなみにスペースバーのスキャンコードは0x29，Enterキーは0x5aになっている．
ちなみにキーボードからのデータは， スタートビットが1bit， データが8bit， 奇数パリティが1bit， ストップビットが1ビットの合計11ビットが送られてくる． 奇数パリティって，データ中の1の合計が奇数になるように，パリティを追加する ものなのね．データ中の1の合計が奇数のときにパリティが立つものだと勘違いしてた (よって最初に書いたソースでは，パリティの値が逆になって誤動作していた)． パリティの処理を修正して実行したら，あっさり動いた．
スペースバーを押下
LED表示の拡大．スペースバーのスキャンコード(0x29)になっている
Enterを押下
LED表示の拡大．Enterのスキャンコード(0x5a)になっている