FPGA基础入门【12】开发板USB鼠标控制
2024-04-08 18:18:55
上一篇教程介绍了NEXYS4 开发板中UART串口通信的使用方式，这一篇介绍USB接口接收鼠标和键盘信号
FPGA基础入门【12】开发板USB鼠标控制
- 开发板USB芯片
- 信号时序图
- 鼠标初始化
- 逻辑设计
- PS2接口控制模块
- 串口控制
- 编译烧写
- 脚本定义
- 观察结果
- 逻辑升级
- 改进代码
- 仿真编译烧写
- 总结
开发板USB芯片
NEXYS 4 开发板上有一个辅助微控制器PIC24FJ128，用来提供USB嵌入式host，上电后这个微控制器处于配置模式，要么把bitstrem下载到FPGA，要么被配置成使用其他资源。Bitstream被下载到FPGA后，这个微控制器被切换成USB host功能，不过只支持鼠标和键盘（不知道支不支持鼠标和键盘一起连接的那种）。这个微控制器还兼职控制micro SD卡，这部分之后再讲
看一下USB与FPGA相关的连接：
可以看到只有两根线，没有配置相关的引脚，不在我们的控制下（毕竟烧写都是用这块芯片控制的，FPGA才是它的slave），因此我们不深入了解这块PIC怎么用的，只考虑怎么使用USB信号
信号时序图
鼠标和键盘都是用11位信号，包括1位的开始码，小头优先的8位数据，1位奇偶校验位，和1位终结码，只是8位数据不同。这种控制协议实际上是PS/2接口的信号直接转到了USB接口上。时序图如下：
PS/2接口长这个样，在老电脑上出现，现在基本上看不到了
这个时序图画的不是很清楚，看另外一份文档能更清楚的看到细节：PS/2 Mouse Control
时钟信号和数据信号都是双向的，没人去驱动它们的时候就被电阻拉高成高电平。
接收鼠标传来的数据相对简单，host保持侦测时钟和数据，当时钟Clock的下降沿时，侦测到数据Data也拉低，代表一个数据包传送出来，之后的10个时钟下降沿，分别收到从最低位LSB到MSB的八位数据，1位的奇偶校验（1表示八位数据中1的位数为偶数，0是奇数），最后1位高电平表示数据包结束。
从Host发送指令到鼠标的步骤如下
- 一般时钟Clock信号都是由鼠标驱动的，只有Host发送指令出去的时候要拉低一次，就是标为1的位置，Host驱动时钟成低电平，并保持大约60us
- 在时钟拉低时，也就是标为2的位置，把数据Data信号也拉低
- 60us结束后把时钟Clock信号的控制权交回，开启侦测时钟，这时鼠标侦测到标为3的时钟上升沿，数据Data位0，准备接受指令
- 鼠标开始驱动时钟Clock，每个上升沿读取一位数据，Host可以在侦测到时钟下降沿时把数据位准备好，数据包顺序和读取时一样，1位起始低电位，8位LSB到MSB数据，1位奇偶校验，1位结尾高电位
- 把数据Data信号控制权交还
鼠标初始化
刚刚连上鼠标时，鼠标不会立刻开始传送数据到Host，具体流程如下：
- USB接口连上，鼠标开始自测试，自测试完成发送0xAA给Host
- 紧接着0xAA，鼠标自动接上固定的设备ID号0x00
- Host发送鼠标数据流使能指令0xF4
- 等待鼠标传回3个字节为单位的数据流
每当鼠标有移动或者点下之类的操作时，就会送出三个11位数，有效数是24位即3个字节，其形式如下，注意传送数据是低位优先的
- 第一个字节[7:6] YY和XY，分别表示纵向和横向移动速度是否溢出，1表示溢出，这时移动的量以最大值计算
- [5:4] YS和XS，分别表示纵向和横向移动方向，1表示向左或者向下，0表示向右或者向上
- [1:0] R和L，分别表示右键和左键，1表示按下
- 第二个字节[7:0] 表示横向移动的量
- 第三个字节[7:0] 表示纵向移动的量
从Host传到鼠标的指令有如下这些，这里我们只用到带自测试的复位和数据流使能：
逻辑设计
从上面时序图中的时钟参数可以看出，鼠标的时钟频率大约是10kHz-16kHz左右，跟NEXYS 4开发板上的系统时钟100MHz相差很大，有6000倍左右，如果使用ChipScope，至少要6000*11=66000个系统时钟周期才能采集完，而ChipScope可以配置的最大长度才131072，只能采集两个字节。
若是使用串口，可以更方便的观察慢速数据，还可以传送指令到FPGA中。因此这次我们分成两个阶段来设计，第一个阶段用串口传递指令，第二个阶段用状态机自动配置鼠标初始化
PS2接口控制模块
在开始顶层设计之前，我们来写一个PS2接口的控制模块ps2_transmitter.v
大概设计要求是：
- 可收可发，收到的串行数据转成8位并行数据，发送出去的8位并行数据也可以转为串行数据
- 有一个enable信号控制发送开始，有一个valid信号表示数据接收完成，都是单时钟脉冲
- 自动根据发送和接收控制USB接口两根线的使用权限
- 由于PS2数据包有奇偶校验，需要一位错误信号位
由这些设计要求，加上前面对PS2接口的分析，写出如下模块：
接口定义，在顶层需要提前把inout形式接口拆分成input，output，和oe（输出使能output enable）
module ps2_transmitter(input clk,input rst,// ports for input datainput clock_in, // connected to usb clock input signalinput serial_data_in, // connected to usb data input signaloutput reg [7:0] parallel_data_in, // 8-bit input data buffer, from the USB interfaceoutput reg parallel_data_valid,// indicate the input data is ready or notoutput reg data_in_error, // reading error when the odd parity is not matched// ports for output dateoutput reg clock_out, // connected to usb clock output signaloutput reg serial_data_out, // connected to usb data output signalinput [7:0] parallel_data_out, // 8-bit output data buffer, to the USB interfaceinput parallel_data_enable,// control signal to start a writing processoutput reg data_out_complete,output reg busy, // indicate the transmitter is busyoutput reg clock_output_oe, // clock output enableoutput reg data_output_oe // data output enable
);
资源定义
// State machine
parameter [3:0] IDLE = 4'd0;
parameter [3:0] WAIT_IO = 4'd1;
parameter [3:0] DATA_IN = 4'd2;
parameter [3:0] DATA_OUT = 4'd3;
parameter [3:0] INITIALIZE = 4'd4;reg [3:0] state;
reg [3:0] next_state;// Parallel data buffer
reg [10:0] data_out_buf;
reg [10:0] data_in_buf;
reg [3:0] data_count;// Counter for clock and data output
reg [15:0] clock_count;
时钟下降沿探测
// Used to detect the falling edge of clock_in, to see if there is anything coming in
// If data coming in, then we cannot start writing data out
reg [1:0] clock_in_delay;
wire clock_in_negedge;
always @(posedge clk) beginclock_in_delay <= {clock_in_delay[0], clock_in};
end
assign clock_in_negedge = (clock_in_delay == 2'b10) ? 1'b1 : 1'b0;
状态机部分
always @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) beginstate <= IDLE;endelse beginstate <= next_state;end
endalways @(posedge clk) begincase(state)IDLE: beginnext_state <= WAIT_IO;clock_output_oe <= 1'b0;data_output_oe <= 1'b0;data_in_error <= 1'b0;data_count <= 4'd0;busy <= 1'b0;parallel_data_valid <= 1'b0;clock_count <= 16'd0;data_in_buf <= 11'h0;data_out_buf <= 11'h0;clock_out <= 1'b1;serial_data_out <= 1'b1;data_out_complete <= 1'b0;parallel_data_in <= 8'h00;end
等待状态，当探测到时钟下降沿时，开启读取状态；当有送数据请求时，缓存好并行数据以及其奇偶校验位、结束位，开启送数据初始化状态。需要注意的是，在这一步中，读取或者送出初始低电平都直接完成了
// If the clock is driven low by mouse, then start reading// If need to send data, and not in data reading mode, then start sending// Indicate busy when leaving this stateWAIT_IO: beginif(clock_in_negedge) begin // input data detected, and the start bit is ignorednext_state <= DATA_IN;busy <= 1'b1;data_count <= 4'd0;endelse if(parallel_data_enable) begin // output data enable detected, and send out the start bit right herenext_state <= INITIALIZE;busy <= 1'b1;data_count <= 4'd0;clock_output_oe <= 1'b1;clock_out <= 1'b0; // drive low for about 60us to initialize outputdata_out_buf <= {parallel_data_out[0],parallel_data_out[1],parallel_data_out[2],parallel_data_out[3],parallel_data_out[4],parallel_data_out[5],parallel_data_out[6],parallel_data_out[7],~^(parallel_data_out), 2'b11};data_output_oe <= 1'b1;serial_data_out <= 1'b0;endend
读取数据状态，每个时钟下降沿就向移位寄存器中塞一位，塞到10位，就可以逆序输出并行数据了，顺便检查一下奇偶校验位
// After the start bit, detect 10 falling edge on clock pin, and shift record the data// When finish, invert the byte and send out parallel dataDATA_IN: beginif(clock_in_negedge && (data_count < 4'd10)) begindata_in_buf <= {data_in_buf[9:0], serial_data_in};data_count <= data_count + 4'd1;endelse if(data_count == 4'd10) beginnext_state <= IDLE;data_count <= 4'd0;busy <= 1'b0;parallel_data_valid <= 1'b1;parallel_data_in <= {data_in_buf[2],data_in_buf[3],data_in_buf[4],data_in_buf[5],data_in_buf[6],data_in_buf[7],data_in_buf[8],data_in_buf[9]};if(data_in_buf[1] == ^(data_in_buf[9:2])) begindata_in_error <= 1'b1;endendend
在发送数据状态前，把时钟和数据输出信号拉低60个微秒，然后放开时钟的输出控制，控制权交还给鼠标
// Before sending, need to drive the clock and data low for about 60us, clock will go back to high after 60usINITIALIZE : beginif(clock_count < 16'd6000) beginclock_count <= clock_count + 16'd1;clock_output_oe <= 1'b1;clock_out <= 1'b0;endelse beginnext_state <= DATA_OUT;clock_output_oe <= 1'b0;clock_out <= 1'b1;endend
鼠标开始接收指令，并驱动时钟发送剩下的10位数
// Mouse will drive the clock again, wait and detect 10 falling edge clock to send out the reset dataDATA_OUT : beginif(clock_in_negedge) beginif(data_count < 4'd10) begindata_count <= data_count + 4'd1;serial_data_out <= data_out_buf[10];data_out_buf <= {data_out_buf[9:0], 1'b0};endelse if(data_count == 4'd10) begindata_out_complete <= 1'b1;next_state <= IDLE;busy <= 1'b0;endendendendcase
endendmodule
这个控制模块可以保存着，之后做键盘控制应该可以用
串口控制
串口控制的逻辑设计如下：
- 如果PS2控制模块有收到信号，就把1个字节以16进制输出到PC
- 如果有收到PC传送过来的字符，立刻回传，让串口显示屏中可以看到自己写入了什么
- 接收到的字符数字0-4分别对应5个指令，0对应复位，1对应无自测试的复位，2对应重传上一个字节，3对应数据流使能，4对应数据流终止
具体代码如下：
引脚定义，加入时钟、复位、串口、USB。在此LED悬空，暂时不做打算
module usb_mouse(input clk,input rst,output reg [15:0] led,// UART portinout USB_CLOCK,inout USB_DATA,// UART portinput RXD,output reg TXD,output reg CTS,input RTS
);
USB引脚控制，以及资源定义
// USB ports control
wire USB_CLOCK_OE;
wire USB_DATA_OE;
wire USB_CLOCK_out;
wire USB_CLOCK_in;
wire USB_DATA_out;
wire USB_DATA_in;
assign USB_CLOCK = (USB_CLOCK_OE) ? USB_CLOCK_out : 1'bz;
assign USB_DATA = (USB_DATA_OE) ? USB_DATA_out : 1'bz;
assign USB_CLOCK_in = USB_CLOCK;
assign USB_DATA_in = USB_DATA;wire PS2_valid;
wire [7:0] PS2_data_in;
wire PS2_busy;
wire PS2_error;
wire PS2_complete;
reg PS2_enable;
(* dont_touch = "true" *)reg [7:0] PS2_data_out;
把上面PS2接口控制模块接上
// Controller for the PS2 port
// Transfer parallel 8-bit data into serial, or receive serial to parallel
ps2_transmitter ps2_transmitter(.clk(clk),.rst(rst),.clock_in(USB_CLOCK_in),.serial_data_in(USB_DATA_in),.parallel_data_in(PS2_data_in),.parallel_data_valid(PS2_valid),.busy(PS2_busy),.data_in_error(PS2_error),.clock_out(USB_CLOCK_out),.serial_data_out(USB_DATA_out),.parallel_data_out(PS2_data_out),.parallel_data_enable(PS2_enable),.data_out_complete(PS2_complete),.clock_output_oe(USB_CLOCK_OE),.data_output_oe(USB_DATA_OE)
);
串口从FPGA到PC输出部分
// Output the data to uart
reg [15:0] tx_count;
reg [19:0] tx_shift;
reg [19:0] CTS_delay;always @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) begintx_count <= 16'd0;TXD <= 1'b1;tx_shift <= 20'd0;CTS <= 1'b1;CTS_delay <= 20'hFFFFF;end
当PS2控制模块准备好接收的信号时，把8位16进制数转换成2个字符，也就是十六进制的样子。使用查表转码
// When get data from PS2, transfer and buffer it into registerelse if(PS2_valid) begincase(PS2_data_in[3:0])4'h0: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0000011001; end4'h1: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100011001; end4'h2: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0010011001; end4'h3: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0110011001; end4'h4: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0001011001; end4'h5: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0101011001; end4'h6: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0011011001; end4'h7: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0111011001; end4'h8: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0000111001; end4'h9: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100111001; end4'hA: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100000101; end4'hB: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0010000101; end4'hC: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0110000101; end4'hD: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0001000101; end4'hE: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0101000101; end4'hF: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0011000101; endendcasecase(PS2_data_in[7:4])4'h0: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0000011001; end4'h1: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100011001; end4'h2: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0010011001; end4'h3: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0110011001; end4'h4: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0001011001; end4'h5: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0101011001; end4'h6: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0011011001; end4'h7: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0111011001; end4'h8: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0000111001; end4'h9: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100111001; end4'hA: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100000101; end4'hB: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0010000101; end4'hC: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0110000101; end4'hD: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0001000101; end4'hE: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0101000101; end4'hF: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0011000101; endendcaseCTS_delay <= 20'h00000;end
当FPGA有收到有效信号时，原样返回给PC端，让PC端的控制窗口能显示相应字符。rx_start是之后的接收部分放出的接收信号
// When receiving data, output the same thing in the meantimeelse if((~RXD) || rx_start) beginTXD <= RXD;CTS <= 1'b0;end
如果buffer里有有效数据就顺序输出
// Shift out the received dataelse beginif(tx_count < 16'd867) begintx_count <= tx_count + 16'd1;endelse begintx_count <= 16'd0;endif(tx_count == 16'd0) beginTXD <= tx_shift[19];tx_shift <= {tx_shift[18:0], 1'b1};CTS <= CTS_delay[19];CTS_delay <= {CTS_delay[18:0], 1'b1};endend
end
从PC输入到FPGA部分，为了简单起见，只识别数字0-4对应五个基础指令，传送给PS2控制模块
// Input from uart
(* dont_touch = "true" *)reg [7:0] RXD_delay;
// 0: 8'hFF Reset
// 1: 8'hF6 Reset without self-test
// 2: 8'hFE Resend the last byte
// 3: 8'hF4 Enable data reporting
// 4: 8'hF5 Disable data reporting
// else: 8'hEA Set stream mode
reg [15:0] rx_count;
(* dont_touch = "true" *)reg [3:0] rx_bit_count;
reg rx_start;always @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) beginRXD_delay <= 8'h00;rx_count <= 16'd0;rx_bit_count <= 4'd0;PS2_enable <= 1'b0;rx_start <= 1'b0;endelse if(~RTS) beginif(rx_count < 16'd867) beginrx_count <= rx_count + 16'd1;endelse beginrx_count <= 16'd0;endif( (rx_count == 16'd0) && (~RXD) && (~rx_start) ) beginRXD_delay <= 8'h00;rx_bit_count <= 4'd0;rx_start <= 1'b1;endelse if( (rx_count == 16'd0) && rx_start && (rx_bit_count != 4'd8)) beginrx_bit_count <= rx_bit_count + 4'd1;RXD_delay <= {RXD_delay[6:0], RXD};endelse if( (rx_count == 16'd0) && rx_start) beginrx_start <= 1'b0;rx_bit_count <= 4'd0;PS2_enable <= 1'b1;case(RXD_delay[7:0])8'b00001100: begin PS2_data_out <= 8'hFF; end8'b10001100: begin PS2_data_out <= 8'hF6; end8'b01001100: begin PS2_data_out <= 8'hFE; end8'b11001100: begin PS2_data_out <= 8'hF4; end8'b00101100: begin PS2_data_out <= 8'hF5; enddefault: begin PS2_data_out <= 8'hEA; endendcaseendelse beginPS2_enable <= 1'b0;endend
endendmodule
编译烧写
先把串口控制的第一步完成了，以便改进成状态机模式。仿真步骤就跳过了，大多数的逻辑都在上一个教程里使用过
脚本定义
新建一个名为usb_mouse的工程，选择开发板NEXYS 4 DDR的配置，添加上面的代码usb_mouse.v和ps2_transmitter.v
加入约束constraint文件usb_mouse.xdc，同样这是用标准模板取自己需要部分修改出来的（NEXYS 4 DDR Master XDC）：
## This file is a general .xdc for the Nexys4 DDR Rev. C
## To use it in a project:
## - uncomment the lines corresponding to used pins
## - rename the used ports (in each line, after get_ports) according to the top level signal names in the project## Clock signal
set_property -dict {PACKAGE_PIN E3 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports clk]
create_clock -period 10.000 -name sys_clk_pin -waveform {0.000 5.000} -add [get_ports clk]##Switchesset_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports rst]## LEDsset_property -dict {PACKAGE_PIN H17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[3]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[4]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[5]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[6]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[7]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[8]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[9]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[10]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[11]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[12]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[13]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[14]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN V11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {led[15]}]##USB HID (PS/2)set_property -dict {PACKAGE_PIN F4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports USB_CLOCK]
set_property -dict {PACKAGE_PIN B2 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports USB_DATA]##USB-RS232 Interfaceset_property -dict {PACKAGE_PIN C4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports RXD]
set_property -dict {PACKAGE_PIN D4 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports TXD]
set_property -dict {PACKAGE_PIN D3 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports CTS]
set_property -dict {PACKAGE_PIN E5 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports RTS]
观察结果
编译生成bitstream，打开hardware manager将bitstream烧写进去后，和上一篇教程一样打开Putty串口端口，具体配置也可以参考上一篇教程。
先把鼠标连接到开发板上的USB接口，再复位FPGA，在串口端口中打入0，对应鼠标复位指令，再打入3，对应数据流使能指令，可以看到如下结果
0FAAA003FA的意思是，0是输入指令，FA是鼠标返回的acknowledge确认信号，AA00是鼠标复位后自测试返回的信号，加上鼠标自己的ID，3是第二个指令，FA是鼠标再次返回的确认信号。
这时候鼠标就已经配置完成了，移动鼠标，或者点击左右键，可以看到立刻返回了一堆数据
可以看到鼠标返回的数据是6个字符为单位，也就是3个字节。第一个返回的是18FF00，回到前面的PS2接口分析，可以看出是向左移动距离FF
逻辑升级
从上面的串口控制可以摸清楚鼠标初始化的流程，因此设计状态机如下：
得到鼠标的数据流后，计划只使用第一个字节中的X方向来控制LED阵列，跟着鼠标来动
改进代码
在串口控制观察清楚了鼠标控制的模式后，可以设计一个规范化的顶层模块，再设计一个LED阵列控制器。保留串口控制中的输出部分，取消输入。代码如下：
这部分和前面一样
module usb_mouse(input clk,input rst,output reg [15:0] led,// UART portinout USB_CLOCK,inout USB_DATA,// UART portinput RXD,output reg TXD,output reg CTS,input RTS
);// USB ports control
wire USB_CLOCK_OE;
wire USB_DATA_OE;
wire USB_CLOCK_out;
wire USB_CLOCK_in;
wire USB_DATA_out;
wire USB_DATA_in;
assign USB_CLOCK = (USB_CLOCK_OE) ? USB_CLOCK_out : 1'bz;
assign USB_DATA = (USB_DATA_OE) ? USB_DATA_out : 1'bz;
assign USB_CLOCK_in = USB_CLOCK;
assign USB_DATA_in = USB_DATA;wire PS2_valid;
wire [7:0] PS2_data_in;
wire PS2_busy;
wire PS2_error;
wire PS2_complete;
reg PS2_enable;
(* dont_touch = "true" *)reg [7:0] PS2_data_out;// Used for chipscope
(* dont_touch = "true" *)reg USB_CLOCK_d;
(* dont_touch = "true" *)reg USB_DATA_d;always @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) beginUSB_CLOCK_d <= 1'b0;USB_DATA_d <= 1'b0;endelse beginUSB_CLOCK_d <= USB_CLOCK_in;USB_DATA_d <= USB_DATA_in;end
end// Controller for the PS2 port
// Transfer parallel 8-bit data into serial, or receive serial to parallel
ps2_transmitter ps2_transmitter(.clk(clk),.rst(rst),.clock_in(USB_CLOCK_in),.serial_data_in(USB_DATA_in),.parallel_data_in(PS2_data_in),.parallel_data_valid(PS2_valid),.busy(PS2_busy),.data_in_error(PS2_error),.clock_out(USB_CLOCK_out),.serial_data_out(USB_DATA_out),.parallel_data_out(PS2_data_out),.parallel_data_enable(PS2_enable),.data_out_complete(PS2_complete),.clock_output_oe(USB_CLOCK_OE),.data_output_oe(USB_DATA_OE)
);
LED阵列控制，使用PWM波来控制LED的亮度，由于眼睛的视觉重叠效果只能识别24Hz以下的亮度变化，高电平占一个周期的比例越高，LED亮度越高：
做法是用一个6位的持续计数器，以及一个可控的阈值，当计数器高于它时LED出低电平，否则高电平，这时阈值的大小就代表LED亮度。每一个LED都用一个独立的驱动，以及一个独立的阈值
加上一个LED选择寄存器，一开始选择最中间两个LED，向左移动时，左LED变亮，右LED变暗；向右移动时，左LED变暗，右LED变亮。当有LED阈值减到0时就预示着LED选择寄存器要移动了
语言方面，这里第一次使用了generate语法，可以快速生成多个并行的类似的结构
// Control of the movement of LED
genvar i;
// Threshold of pwm wave, the higher, the brighter
reg [5:0] led_bright[15:0];
// Counter for pwm wave
reg [5:0] led_pwm_count[15:0];
// signal from USB, gathered in state machine
reg led_move_left, led_move_right;
// LED selection, only light up the selected one
reg [15:0] led_selection_left, led_selection_right;
// When one LED reach the minimum or maximum, it will indicate to move selection register
reg [15:0] led_selection_move_left, led_selection_move_right;always @(posedge clk or posedge rst) begin// Original selection is the middle two LEDsif(rst) beginled_selection_left <= 16'h0100;led_selection_right <= 16'h0080;end// Loop shift leftelse if( |led_selection_move_left ) beginled_selection_left <= {led_selection_left[14:0], led_selection_left[15]};led_selection_right <= {led_selection_right[14:0], led_selection_right[15]};end// Loop shift rightelse if( |led_selection_move_right ) beginled_selection_left <= {led_selection_left[0], led_selection_left[15:1]};led_selection_right <= {led_selection_right[0], led_selection_right[15:1]};end
end// Every one LED has a separate controller logic
generatefor(i=0; i<16; i=i+1) begin : LED_control// brightness controlalways @(posedge clk or posedge rst) begin// Initialif(rst) beginled_bright[i] <= (i==7) ? 6'h1F : ( (i==8) ? 6'h20 : 6'h00);endelse if(led_move_left) begin// When move_left signal asserted, the selected right LED decrease brightnessif(led_selection_right[i]) beginled_bright[i] <= led_bright[i] - 6'd1;end// And the left LED increase brightnesselse if(led_selection_left[i]) beginled_bright[i] <= led_bright[i] + 6'd1;end// Unselected LED keep offelse beginled_bright[i] <= 6'd0;end// If the right LED is about to reach minimum, indicate selection register to shift leftif(led_selection_right[i] & led_bright[i] == 6'h01) beginled_selection_move_left[i] <= 1'b1;endelse beginled_selection_move_left[i] <= 1'b0;endendelse if(led_move_right) begin// When move_right signal asserted, the selected right LED increase brightnessif(led_selection_right[i]) beginled_bright[i] <= led_bright[i] + 6'd1;end// And the left LED decrease brightnesselse if(led_selection_left[i]) beginled_bright[i] <= led_bright[i] - 6'd1;end// Unselected LED keep offelse beginled_bright[i] <= 6'd0;end// If the left LED is about to reach minimum, indicate selection register to shift rightif(led_selection_left[i] & led_bright[i] == 6'h01) beginled_selection_move_right[i] <= 1'b1;endelse beginled_selection_move_right[i] <= 1'b0;endendelse beginled_selection_move_left[i] <= 1'b0;led_selection_move_right[i] <= 1'b0;endend// Use pwm wave to control the brightness of LEDsalways @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) beginled_pwm_count[i] <= 6'd0;led[i] <= 1'b0;endelse if(led_pwm_count[i] < led_bright[i])beginled_pwm_count[i] <= led_pwm_count[i] + 6'd1;led[i] <= 1'b1;endelse beginled_pwm_count[i] <= led_pwm_count[i] + 6'd1;led[i] <= 1'b0;endendend
endgenerate
状态机部分，对照前面的状态机设计图
// State machine definition
parameter [3:0] IDLE = 4'd0;
parameter [3:0] SEND_RESET = 4'd1;
parameter [3:0] WAIT_ACKNOWLEDGE1 = 4'd2;
parameter [3:0] WAIT_SELF_TEST = 4'd3;
parameter [3:0] WAIT_MOUSE_ID = 4'd4;
parameter [3:0] ENABLE_DATA_REPORT = 4'd5;
parameter [3:0] WAIT_ACKNOWLEDGE2 = 4'd6;
parameter [3:0] GET_DATA1 = 4'd7;
parameter [3:0] GET_DATA2 = 4'd8;
parameter [3:0] GET_DATA3 = 4'd9;(* dont_touch = "true" *)reg [3:0] state;
(* dont_touch = "true" *)reg [3:0] next_state;always @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) beginstate <= IDLE;endelse beginstate <= next_state;end
endalways @(posedge clk) begincase(state)IDLE: beginnext_state <= SEND_RESET;PS2_enable <= 1'b0;PS2_data_out <= 8'h00;end// First send out a reset, in case the mouse is attached in the beginningSEND_RESET: beginif(~PS2_busy && PS2_complete) beginnext_state <= WAIT_ACKNOWLEDGE1;PS2_enable <= 1'b0;endelse beginnext_state <= SEND_RESET;PS2_enable <= 1'b1;PS2_data_out <= 8'hFF;endend// Wait for the first acknowledge signal 0xFAWAIT_ACKNOWLEDGE1: beginif(PS2_valid && (PS2_data_in == 8'hFA)) begin // acknowledgednext_state <= WAIT_SELF_TEST;endelse beginnext_state <= WAIT_ACKNOWLEDGE1;endend// The mouse will send back self-test pass signal 0xAA back firstWAIT_SELF_TEST: beginif(PS2_valid && (PS2_data_in == 8'hAA)) begin // self-test passednext_state <= WAIT_MOUSE_ID;endelse beginnext_state <= WAIT_SELF_TEST;endend// Then followed by the ID 0x00WAIT_MOUSE_ID: beginif(PS2_valid && (PS2_data_in == 8'h00)) begin // mouse IDnext_state <= ENABLE_DATA_REPORT;endelse beginnext_state <= WAIT_MOUSE_ID;endend// Enable data report mode 0xF4ENABLE_DATA_REPORT: beginif(~PS2_busy && PS2_complete) beginnext_state <= WAIT_ACKNOWLEDGE2;PS2_enable <= 1'b0;endelse beginnext_state <= ENABLE_DATA_REPORT;PS2_enable <= 1'b1;PS2_data_out <= 8'hF4;endend// Wait for the second acknowledge signal 0xFAWAIT_ACKNOWLEDGE2: beginif(PS2_valid && (PS2_data_in == 8'hFA)) begin // acknowledgednext_state <= GET_DATA1;endelse beginnext_state <= WAIT_ACKNOWLEDGE2;endend// Get first byte from mouse, find if it's moving left or right, and if left clicked and right clicked// [4] is the XS bit, 1 means left, 0 means right// [1] is right click, [0] is left click, 1 means clicked// We don't get the distance here, for simplicityGET_DATA1: beginif(PS2_valid) beginled_move_left <= ((PS2_data_in[4]) | PS2_data_in[0]) ? 1'b1 : 1'b0;led_move_right <= ((~PS2_data_in[4]) | PS2_data_in[1]) ? 1'b1 : 1'b0;next_state <= GET_DATA2;endelse beginled_move_left <= 1'b0;led_move_right <= 1'b0;next_state <= GET_DATA1;endend// Second byte, X distanceGET_DATA2: beginif(PS2_valid) beginnext_state <= GET_DATA3;endelse beginled_move_left <= 1'b0;led_move_right <= 1'b0;next_state <= GET_DATA2;endend// Third byte, Y distance, loop back to wait for next data packetGET_DATA3: beginif(PS2_valid) beginnext_state <= GET_DATA1;endelse beginnext_state <= GET_DATA3;endendendcase
end
保留串口输出到PC的部分
// Output the data to uart
reg [15:0] tx_count;
reg [19:0] tx_shift;
reg [19:0] CTS_delay;always @(posedge clk or posedge rst) beginif(rst) begintx_count <= 16'd0;TXD <= 1'b1;tx_shift <= 20'd0;CTS <= 1'b1;CTS_delay <= 20'hFFFFF;end// When get data from PS2, transfer and buffer it into registerelse if(PS2_valid) begincase(PS2_data_in[3:0])4'h0: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0000011001; end4'h1: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100011001; end4'h2: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0010011001; end4'h3: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0110011001; end4'h4: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0001011001; end4'h5: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0101011001; end4'h6: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0011011001; end4'h7: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0111011001; end4'h8: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0000111001; end4'h9: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100111001; end4'hA: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100000101; end4'hB: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0010000101; end4'hC: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0110000101; end4'hD: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0001000101; end4'hE: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0101000101; end4'hF: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0011000101; endendcasecase(PS2_data_in[7:4])4'h0: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0000011001; end4'h1: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100011001; end4'h2: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0010011001; end4'h3: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0110011001; end4'h4: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0001011001; end4'h5: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0101011001; end4'h6: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0011011001; end4'h7: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0111011001; end4'h8: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0000111001; end4'h9: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100111001; end4'hA: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100000101; end4'hB: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0010000101; end4'hC: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0110000101; end4'hD: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0001000101; end4'hE: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0101000101; end4'hF: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0011000101; endendcaseCTS_delay <= 20'h00000;end// When receiving data, output the same thing in the meantimeelse if((~RXD) || rx_start) beginTXD <= RXD;CTS <= 1'b0;end// Shift out the received dataelse beginif(tx_count < 16'd867) begintx_count <= tx_count + 16'd1;endelse begintx_count <= 16'd0;endif(tx_count == 16'd0) beginTXD <= tx_shift[19];tx_shift <= {tx_shift[18:0], 1'b1};CTS <= CTS_delay[19];CTS_delay <= {CTS_delay[18:0], 1'b1};endend
endendmodule
仿真编译烧写
我没有怎么做仿真，最多就看了一下是否有语法错误，如果需要仿真的代码，可以下载附带的源代码，或者留言
工程还是用前面新建好的，代码名字不变，重新编译并烧写即可，不需要配置ChipScope。
复位后，可以打开串口端口，看到鼠标初始化返回的FAAA00FA，以及之后的数据流，这里就不展示了
观察LED阵列，可以看到它们在跟着鼠标的左右移动而动。不过它们没有跟随鼠标移动的速度，那是因为我们只读取了鼠标移动的X方向，而没有用上移动距离，目的是简化代码
无法上传视频，就看移动鼠标的前后变化：
总结
这一篇教程比较长，有两个顶层代码，不过鼠标控制LED的结果看起来还是很舒服的。下一步填上USB键盘的坑
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