Pulsadores, teclados y ratones - Universidad Complutense de Madrid
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1 tema 6: pulsadores, teclados, ratones Diseñ Diseño Automá Automático de Sistemas José José Manuel Mendí Mendías Cuadros Dpto. Arquitectura de Computadores y Automá Automática Universidad Complutense de Madrid 2 interruptores y pulsadores ⌦ La lectura del estado de un interruptor mecánico por parte de un sistema digital (lo suficientemente rápido) presenta dos problemas: Asincronismo: el cambio de estado del interruptor puede ocurrir en cualquier momento, pudiento llevar al sistema a un estado metaestable. Presencia de rebotes: cuando el estado del interruptor cambia, la señal presenta un vaiven transitorio. rebote de depresión © J.M. Mendías, 2001 rebote de presión +5V pulsadores 0.3 ms switches 50 ms ~ µs x Debouncer Synchronizer 10KΩ xDeb x xDeb diseñ diseño automá automático de sistemas 100 ms (min) 0.1 ms 0.5 ms 3 eliminador de rebotes Debouncer x xDeb x clk rst no x esperaPresion timerEnd startTimer © J.M. Mendías, 2001 no timerEnd no timerEnd esperaFinReboteP esperaFinReboteD xDeb* x esperaDepresion startTimer puertos: x : in : 1 bit : log. negativa timerEnd : in : 1 bit : lógica positiva xDeb : out : 1 bit : log. negativa := 1 startTimer : out : 1 bit : log. positiva := 0 estado inicial: esperaPresion timerEnd xDeb* no x CONT 0-N startTimer timer timerEnd diseñ diseño automá automático de sistemas 4 keypads ⌦ Un teclado es una colección de pulsadores cuyo estado puede ser conocido individualmente ⌦ La configuraciones mas comunes son: pulsador S0 S1 Sn poner a 0 todas las columnas esperar a que alguna fila valga 0 Vcc R0 Vcc R1 esperar fin de rebotes poner a 0 una única columna dejando el resto a 1 Vcc Rm vale 0 la fila NO SI teclado maticial diseñ diseño automá automático de sistemas generar el código de tecla Algoritmo de detección de pulsaciones en un teclado matricial © J.M. Mendías, 2001 teclados lineales: cada pulsador tiene una línea dedicada para conocer su estado teclados matriciales: los pulsadores se disponen en filas y columnas, de manera que los pulsadores de la misma fila compartan la línea que permite conocer su estado 5 interfaz de keypad (i) S R 0111 0111 0111 0111 0XXX 10XX 110X 1110 0001 0100 0111 1110 1011 1011 1011 1011 0XXX 10XX 110X 1110 0010 0101 1000 0000 1101 1101 1101 1101 0XXX 10XX 110X 1110 0011 0110 1001 1111 1110 1110 1110 1110 0XXX 10XX 110X 1110 1010 1011 1100 1101 timer startTimer timerEnd xSync scaner S x 1 2 3 A +5V * 4 5 6 B synchronizer +5V +5V +5V R 7 8 9 C keypad 0 # D 4 ldCode © J.M. Mendías, 2001 10KΩ 4 resto resto R LC 4 S 4 codeReg encoder S XXXX 4 4 keyCode keyCode keyPressed ldCode diseñ diseño automá automático de sistemas 6 interfaz de keypad (ii) xSync © J.M. Mendías, 2001 puertos: x : in : 1 bit : log. negativa xSync : in : 1 bit : log. negativa timerEnd : in : 1 bit : lógica positiva startTimer : out : 1 bit : log. positiva := 0 ketPressed : out : 1 bit : log. positiva := 0 S : out : 4 bits := “0000” estado inicial: esperaPresion xSync* esperaPresión startTimer S ← “0000” timerEnd* timerEnd esperaFinReboteD esperaFinReboteP S ← “0000” S ← “0000” xSync* x timerEnd* xSync startTimer esperaDepresión timerEnd x* ldCode S ← “0000” keyPressed x* x* ldCode scanCol1 S ← “0111” x* ldCode x ldCode scanCol4 S ← “1110” scanCol3 x diseñ diseño automá automático de sistemas S ← “1101” scanCol2 x S ← “1011” 7 interfaz de keypad (iii) ⌦ El interfaz descrito funciona correctamente cuando se pulsa una sola tecla: Si se pulsan varias teclas de la misma fila, reconoce la ubicada más a la izquierda Si se pulsan varias teclas de la misma columna, reconoce la ubicada más arriba. © J.M. Mendías, 2001 ⌦ No obstante, puede darse el caso de que dos o más teclas estén pulsadas simultáneamente porque Se pulsen conscientemente (caso de teclas como SHIFT, ALT, etc) Se esté tecleando muy rápidamente ⌦ La capacidad de detectar más de una pulsación simultánea se llama key roll-over: Por ejempo, un controlador capaz de detectar una segunda tecla pulsada cuando aún no se ha levantado la primera se dice que tiene 2 key roll-over. Requisitos: Una cola de registros de códigos (codeReg) Un codificador completo de códigos de scan y retorno. Una máquina de estados que cheque todas las filas. La espera de presiones y depresiones individualizadas diseñ diseño automá automático de sistemas 8 teclados y ratones PS/2 (i) © J.M. Mendías, 2001 ⌦ Un teclado o ratón tipo AT-PS/2 utiliza para comunicarse con un sistema un protocolo bidireccional serie síncrono de 11 bits usa dos lineas a colector abierto con resitencias de pullup TTL +5V (por defecto en ALTA): CLK, para transmitir el reloj de sincronización DATA, para transmitir los datos serie el reloj siempre debe ser generado por el dispositivo con una frecuencia entre 10 y 30 KHz. aunque puede ser forzado a BAJA por el sistema. los datos pueden ser generados por el dispositivo o por el sistema el formato de datos es: 1 bit de start (0), 8 bits de datos (primero LSB), 1 bit paridad impar, 1 bit de stop (1) 5 Pin DIN 1. KBD Clock 2. KBD Data 3. N/C 4. GND 5. +5V (VCC) diseñ diseño automá automático de sistemas PS/2 1. KBD Clock 2. GND 3. KBD Data 4. N/C 5. +5V (VCC) 6. N/C 9 teclados y ratones PS/2 (ii) Transmisión de dispositivo a sistema: transmisión de datos ⌦ El dispositivo inicia una transmisión cuando ha sucedido un evento en el periférico o ha recibido una solicitud del sistema comprueba que CLK y DATA estan en ALTA © J.M. Mendías, 2001 ⌦ Una vez iniciada la trensferencia, el sistema debe muestrear la señal de DATA a flancos de bajada de CLK. puede abortarla antes del 10º ciclo fijando CLK a BAJA, típicamente el dispositivo chequea cada 100 ms la señal de CLK la retransmisión de un dato abortado debe ser solicitada por el sistema ⌦ El sistema puede inhabilitar las transmisiones fijando CLK a BAJA, en cuyo caso los datos se almacenan temporalmente en el dispositivo. ⌦ Si el sistema además fija DATA a BAJA indica al dispositivo su intención de enviarle información. diseñ diseño automá automático de sistemas 10 teclados y ratones PS/2 (iii) Transmisión de dispositivo a sistema: teclado ⌦ Cada vez que se pulsa una tecla, el dispositivo envía de 3 a n códigos: Scancodes de presión: indicando el momento y la tecla pulsada, si la tecla permanece pulsada el teclado reenvía el código periódicamente (intervalo programable). Código de depresión (F0): indicando el momento en que se ha dejado de pulsar una tecla. Scancodes de depresión: indicando la tecla que se ha dejado de pulsar. © J.M. Mendías, 2001 ⌦ Los scancodes compuestos y el código de depresión junto con los scancodes correspondientes se envían en ráfaga. PS2 scancodes diseñ diseño automá automático de sistemas 11 teclados y ratones PS/2 (iv) Transmisión de dispositivo a sistema: ratón © J.M. Mendías, 2001 ⌦ Cada vez que se mueve el ratón o cambia el estado de los pulsadores, el dispositivo envía una ráfaga de 3 códigos: Información de estado del ratón bit 0, overflow vertical bit 1, overflow horizontal bit 2, sentido vertical (0 positivo, 1 negativo) bit 3, sentido horizontal (0 positivo, 1 negativo) bit 4, 5, “10” bit 6, estado pulsador derecho (1 pulsado) bit 7, estado pulsador izquierdo (1 pulsado) Información de desplazamiento horizontal 8 bits indicando su magnitud (primero el MSB) Información de desplazamiento vertical 8 bits indicando su magnitud (primero el MSB) diseñ diseño automá automático de sistemas 12 teclados y ratones PS/2 (v) Transmisión de sistema a dispositivo: transmisión de comandos ⌦ El sistema puede iniciar una transmisión hacia el dispositivo fijando DATA a baja © J.M. Mendías, 2001 sin embargo para evitar evitar colisiones con los posibles datos en transmisión es conveniente fijar primero CLK a BAJA durante al menos 60 μs y no después del 10º ciclo. estando DATA a BAJA y tras poner CLK a ALTA, el dispositivo comienzará a generar la señal de reloj antes de 10 ms, provocando el primer flanco de bajada ⌦ El dispositivo muestrea la señal DATA a cada flanco de bajada, por lo que el sistema debe poner un nuevo bit cuando CLK está en ALTA, que debe estar estable 1μs después del flanco de subida. tras mandar el bit de paridad, el sistema debe liberar la línea de datos, (que subirá a ALTA, bit de stop), si no lo hace el interfaz sigue mandando pulsos por CLK ⌦ El interfaz reconoce la recepción de datos poniendo la línea de DATA a BAJA durante el 11º ciclo diseñ diseño automá automático de sistemas 13 teclados y ratones PS/2 (vi) Transmisión de sistema a dispositivo: códigos ⌦ Comandos más interesantes: Set/reset indicadores de estado (ED), controla los LEDs de estado del teclado, responde con ACK y espera el byte de estado: (b0,b1,b2,0,0,0,0,0) donde b0 scrollLock, b1, NumLock, b2 CapsLock, mandando un 1 cambia el indicador. Disable (F5), resetea teclado, suspende escaneado, devuelve ACK © J.M. Mendías, 2001 Echo (EE), solicita que el dispositivo reponda con ECHO Enable (F4), borra buffer, devuelve ACK Resend (FE), solicita la retransmisión del último scancode Reset (FF), resetea el dispositivo, inicia power-on test, responde con el power-on byte Intervalo/retardo de autorepetición (F3), responde con ACK y espera con un byte de b6b7 (00=250 ms, 11=1000ms), b4..b0 (00000=30x/s, 11111=2x/s), vuelve a responder con ACK. ⌦ Códigos de respuesta del dispositivo: ACK (FA), respuesta a algunos comandos power-on satisfactorio (AA) ECHO (EE) Resend (FE), el dispositivo solicita el reenvío del comando Error (00 ó FF), error o desbordamiento del buffer diseñ diseño automá automático de sistemas 14 interfaz de teclado PS2 (i) 80 µs 10 - 20 KHz data0 start data1 data2 data3 data4 data5 data6 data7 paridad impar stop © J.M. Mendías, 2001 20 µs 15 µs presión scancode F0 scancode 100 ms ps2Clk coste para XC4010XL data Interfaz de PS2 newData newDataAck clk rst diseñ diseño automá automático de sistemas scancode 100 ms 8 ps2Data depresión 10 CLBs 24 FF (9 en IOBs) 17 LUTs de 4 entradas 2 LUTs de 3 entradas 15 interfaz de teclado PS2 (ii) ps2Clk synchronizer edgeDetector samplePs2Data © J.M. Mendías, 2001 SHIFTER shtPs2Data clearPs2Data ps2DataReg ps2Data 11 LC goodParity lastBitRcv 8 validData ldData DataReg data diseñ diseño automá automático de sistemas 16 interfaz de teclado PS2 (iii) clk x tipo Moore (2 biestables) xFallingEdge © J.M. Mendías, 2001 xRisingEdge x tipo Mealy (1 biestable) xFallingEdge Det. flancos xRisingEdge xFallingEdge clk rst rst x D Q D Q tipo Moore clk xRisingEdge diseñ diseño automá automático de sistemas 17 interfaz de teclado PS2 (iv) no dataValid retrasan el flanco 4 ciclos = 320 ns << 20 µs © J.M. Mendías, 2001 ps2Clk synchronizer edgeDetector SHIFTER ps2DataReg ps2Data esperandoDatos validData newDataAck ldData esperandoAck newData 11 no newDataAck LC validData 8 ldData dataReg data diseñ diseño automá automático de sistemas
