PS/2 协议详解

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目前市面上的资料，大多数是对PS/2键盘的通信过程做了介绍，但是PS/2和Windows在开机阶段是怎么握手上的，却没有详细地介绍，本文弥补了这一点。

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1 通信概述

PS/2 协议使用两根线 CLK（时钟线）和 DAT（数据线），与 IIC 协议有一定相似性，是一种串行通信协议。PS/2 设备主要包括键盘和鼠标，本文重点介绍键盘，但键盘和鼠标在通信协议上大致相同。

在 PS/2 通信中，主机和设备之间可以进行双向数据传输，即主机可以向设备发送数据，设备也可以向主机发送数据。CLK 和 DAT 在空闲状态下都为高电平，只有当它们处于高电平时，才能够开始数据的发送，否则会出现通信抑制的情况，此时不能发送数据。

在设备主动发送数据时，设备会先拉低 DAT 线，再拉低 CLK 线，然后由设备产生时钟信号来发送数据；而主机主动发送数据时，主机会先拉低 CLK 线，再拉低 DAT 线，之后由设备产生时钟信号，主机进行数据发送。

对于数据的读取时机，设备主动发送的数据在 CLK 的下降沿被读取，主机主动发送的数据在 CLK 的上升沿被读取。并且，一般不会在边沿产生时立刻开始读取或发送数据，而是在边沿产生后延时一段时间再进行操作，以确保数据的稳定。具体来说，设备主动发送时，在 CLK 低电平时，DAT 线上的数据是稳定的；而主机主动发送时，在 CLK 高电平时，DAT 线上的数据是稳定的。

2 时序详解

PS/2 协议的数据传输时序包括 1 个起始位、8 个数据位、1 个校验位、1 个停止位和 1 个应答位，具体如下：

起始位：低电平
数据位：LSB，先发送低位
校验位：奇校验
停止位：高电平
应答位：低电平，设备接收到主机数据后才需要应答，主机接收到设备数据无需应答

2.1 主机主动发送

alt text 发送一个字节数据过程：

CLK 先拉低，延时，然后拉低 DAT
释放 DAT
等待设备

设备主动发送

alt text 发送一个字节数据过程：

等待 CLK 为高电平后，检查数据线是否为高电平，如果是，继续下面的操作
延时 40us，发送起始位 0
由低位开始发送 8 位的数据位
发送奇校验位
发送停止位

发送一个位的过程：（保证在拉低 CLK 的时候 DAT 已经准备好了）

DAT 准备好数据位，延时 10us
拉低 CLK，延时 20us
释放 CLK，延时 10us
检查 CLK 是否为高（空闲状态），如果是，则返回正确

3 硬件连接

在硬件连接方面，对于主机（例如 x86 设备），一般通过一个 SIO 芯片提供两个引脚（CLK 和 DAT）来进行 PS/2 通信。这两个引脚的资源在 BIOS 中需要被配置为 PS/2 模式，这样在开机初始化时系统才会尝试和设备进行握手操作。同时，CLK 和 DAT 线应进行外部上拉处理。如果使用单片机模拟键盘，接入 CLK 和 DAT 的引脚要配置为开漏模式。

4 通信过程

4.1 初始化

PS/2 设备和主机之间需要进行握手操作，只有握手成功后，设备才能正常使用。需要注意的是，PS/2 设备不支持热拔插。

以 Windows 10 主机接入 PS/2 键盘，开机初始化的过程为例：主机会先尝试告知设备其要发送数据，具体操作是先下拉 CLK 线进行通讯抑制，然后下拉 DAT 线表示要发送数据，接着释放 CLK 线，等待设备产生 CLK 线上的时钟信号。主机根据设备产生的时钟信号进行数据发送，通常发送一个字节的信息，例如 0xEE。设备接收到主机发送的这个字节后，需要进行应答。应答的数据一般是 0xFA，但存在一些例外情况：如果接收到的信息是 0xEE，则需要应答 0xEE（EE 表示 echo）；如果接收到 0xFF，则需应答 0xFA，并在 500ms 之内设备发送 0xAA（FF 是复位命令，该命令的正确应答对于键盘能否初始化成功至关重要）。

4.2 常态

在设备和主机握手成功之后，进入常态。在常态下，设备可以向主机发送键码，告知主机用户按下了键盘的哪个键，同时主机也可以向设备发送数据进行一些设置操作。

5 bios 是否配置或引脚是否正常判断

将正常的 PS/2 键盘接入系统，正常情况下键盘应该能够正常使用，且在设备管理器中的键盘一项可以看到 PS/2 键盘。可以使用示波器监视 CLK 和 DAT 线，在系统开机过程中，主机应该有尝试发送数据的动作（即先拉低 CLK 线然后拉低 DAT 线），如果没有这个动作，则可能是 BIOS 没有正确配置或者 SIO 芯片存在虚焊等问题。

6 初始化成功判断

如果握手没有成功，在进入系统后，CLK 线可能会被 SIO 主动拉低，从而抑制通信。如果握手成功了，在设备管理器中（以 Windows 系统为例）的键盘选项中，可以看到一个 PS/2 的设备。

7 键码

目前使用的 PS/2 键盘大多默认采用第 2 套扫描码集（可参考https://wiki.osdev.org/PS/2_Keyboard）。PS/2 键盘的键码有通码和断码之分，按下按键时发送通码，松开按键时发送断码。

例如，要模拟 Win 键的触发，使用正常的 PS/2 键盘进行测试时可以发现，按下 Win 键必须在松开后才会弹出开始菜单，这意味着首先要模拟 Win 键的通码发送，然后再模拟断码发送。通过查表可以得到，需要先发送 0xE0,0x1F，然后发送 0xE0,0xF0,0x1F。需要先发送 0xE0,0x1F

8 代码

下面代码是 STC8 模拟 PS/2 键盘的示例，包括开机初始化键盘的握手，以及键码的发送

注意 delay 函数延时的准确性，如果不准确会造成一些 bug，这方面和编译优化选项也有关系，最好使用示波器实际校准下。 KDAT 和 KCLK 为 STC8 连接到 PS/2 接口的管脚。

8.1 读取单个位

unsigned char ReadBit() {
    Delay_us(20);
    KCLK = 0;        // 设备拉低时钟线
    Delay_us(40);
    KCLK = 1;        // 释放时钟线
    Delay_us(20);
    return KDAT;     // 返回数据线状态
}

8.2 发送单个位

char SendBit(unsigned char b) {
    KDAT = b;          // 准备数据位
    Delay_us(20);
    KCLK = 0;            // 拉低时钟线
    Delay_us(40);
    KCLK = 1;            // 释放时钟线
    Delay_us(20);
    return KCLK ? 0 : -1;// 检测时钟抑制
}

8.3 计算校验位

unsigned char CalculateParity(unsigned char dat) {
    unsigned char parity = 1, i;
    for(i=0; i<8; i++) parity ^= (dat >> i) & 1;
    return parity;
}

8.4 发送应答位

void SendAck() {
    Delay_us(15);
    KDAT = 0;        // 拉低数据线
    Delay_us(5);
    KCLK = 0;        // 拉低时钟线
    Delay_us(40);
    KCLK = 1;        // 释放时钟线
    Delay_us(5);
    KDAT = 1;        // 释放数据线
}

8.5 读取一个字节

char RecvByte() {
    unsigned char b, parity, stop;
    unsigned char tmp = 0;
    unsigned char i;

    // 等待时钟线高电平（主机释放时钟）
    // while(!KCLK);
    unsigned int wait_start = systick;
    while(!KCLK) {
        if (systick - wait_start > 5) {   // 等待5ms超时
            return -1; // 超时退出
        }
    }
    Delay_us(300);
    // if(!KCLK) return -1;

    // 检查起始位（数据线必须为低）
    if(KDAT != 0) return -1;

    // 读取8位数据
    for(i=0; i<8; i++) {
        b = ReadBit();
        if(!KCLK) return -2;    // 检测时钟抑制
        tmp |= (b << i);
    }

    // 读取校验位
    parity = ReadBit();

    // 读取停止位
    stop = ReadBit();

    // 处理停止位错误
    if(stop != 1) {
        while(!(stop = ReadBit())); // 持续读取直到高电平
        return -3;
    }

    // 发送应答信号
    SendAck();

    // // 校验数据完整性
    // if(CalculateParity(tmp) != parity) return -4;

    // 最终延时
    Delay_us(45);

    recvData = tmp; // 将接收到的数据存储到全局变量

    // *data = tmp;
    return 0;
}

8.6 发送一个字节

char SendByte(unsigned char dat) {
	unsigned char i;
    // 等待时钟线高电平
    // while(KCLK == 0);
    unsigned int wait_start = systick;
    while(!KCLK) {
        if (systick - wait_start > 5) {   // 等待5ms超时
            return -1; // 超时退出
        }
    }
    Delay_us(40);
    if(KCLK == 0) return -1; // 检测时钟线状态

    // 检查数据线状态
    if(KDAT == 0) return -1;

    // 发送起始位
    Delay_us(5);
    if(SendBit(0)) return -1;

    // 发送数据位
    for(i=0; i<8; i++) {
        if(SendBit((dat >> i) & 1)) return -1;
    }

    // 发送校验位
    if(SendBit(CalculateParity(dat))) return -1;

    // 发送停止位
    if(SendBit(1)) return -1;

    Delay_us(50);
    return 0;
}

8.7 接收数据与应答（可用于初始化的握手）

bit last_KDAT = 1;         // 上次KDAT状态
unsigned char recvData = 0; // 接收数据存储变量

void main(){
    last_KDAT = KDAT;

    while(1){
        // 接受主机发送的数据
        if(KDAT==0 && last_KDAT==1){//KDAT被拉低，主机可能要发送数据
            if(RecvByte()==0){
                SendByte(0xFA); // 发送确认

                if(recvData == 0xFF){
                    Delay_ms(360);
                    SendByte(0xAA); // 发送复位确认
                }
            }
        }
        last_KDAT = KDAT;
    }
}

8.8 键码的发送

以发送 win 键为例
通码和断码之间延时可适当拉长

void SendWinKey() {
    SendByte(0xE0);  // 扩展标记
    Delay_ms(3);
    SendByte(0x1F);  // 左Win键通码

    Delay_ms(3);

    SendByte(0xE0);
    Delay_ms(3);
    SendByte(0xF0);
    Delay_ms(3);
    SendByte(0x1F);
}

9 bug 说明

9.1 bug1——没有等待主机进入数据发送模式

具体描述：在主机主动发送数据时，主机先拉低 CLK 线，再拉低 DAT 线，然后释放 CLK 线示意设备可以产生时钟信号，设备产生时钟信号后主机发送数据。但从主机释放 CLK 线后，如果设备立刻产生时钟信号，主机可能来不及转换到数据发送模式，从而导致通信出现问题。
解决方式：设备检测到主机释放 CLK 后，等待 300us，再检测起始位，然后进行数据的读取（数据读取时设备发送时钟）。
参考 patch：

diff --git a/main.c b/main.c
index 9954251..a4ac5b7 100644
--- a/main.c
+++ b/main.c
@@ -269,6 +269,7 @@ char RecvByte() {
// 接收完整数据包
char RecvByte() {
    unsigned char b, parity, stop;
    unsigned char tmp = 0;
    unsigned char i;

    // 等待时钟线高电平（主机释放时钟）
    while(!KCLK);
+   Delay_us(300);

    // 检查起始位（数据线必须为低）
    if(KDAT != 0) return -1;

    // 读取8位数据
    for(i=0; i<8; i++) {
        b = ReadBit();
        if(!KCLK) return -2;    // 检测时钟抑制
        tmp |= (b << i);
    }

    // 读取校验位
    parity = ReadBit();

9.2 bug2——握手超时导致主机死机

具体描述：在 S5 关机或者 S4 休眠唤醒后，系统没有出现死机或者卡顿现象，而在 S3 睡眠唤醒后，出现了死机和卡顿情况。经排查，发现该问题与 PS/2 设备有关。原因是设备在接收到主机发送的 FF 复位信号后，虽然回复了 FA 和 AA，但是 AA 距离 FF 的时间超过了 500ms。PS/2 协议规定，设备在接收到主机发送的 FF 复位信号后，应该在 500ms 内回复 AA。推测是主机在发送 FF 后，收到了设备的 FA，但是由于 AA 超时，主机没有接收到。虽然按常理即使超时也不应该导致卡顿，但可能存在 PS/2 相关中断的 bug。
解决方式：设备接收到主机发的 FF 复位命令后，及时回复，并且保证在 500ms 之内回复 AA
参考 patch：

diff --git a/main.c b/main.c
index 5fea6f4..1eea803 100644
--- a/main.c
+++ b/main.c
@@ -402,7 +402,7 @@ void main()
                 SendByte(0xFA); // 发送确认

                 if(recvData == 0xFF){
-                    Delay_ms(500);
+                    Delay_ms(360);
                     SendByte(0xAA); // 发送复位确认
                 }
             }

9.3 bug3——没有超时检测机制导致的死循环问题

具体描述：设备检测到 DAT 线被拉低，意味着主机准备接受数据，所以设备要等待主机释放时钟线。但有时候主机没有释放时钟线，单纯使用 while 循环会导致程序一直在等待时钟线的释放，从而进入死循环。
解决方式：加入超时机制
参考 patch：

// while(!KCLK);
unsigned int wait_start = systick;
while(!KCLK) {
    if (systick - wait_start > 5) {   // 等待5ms超时
        return -1; // 超时退出
    }
}