Вступление

Заняться устройством подобного рода меня побудил тот факт, что большая часть простых для повторения геймортовских устройств не позволяла реализовать достаточное количество кнопок управления. Игровой порт PC изначально вообще расчитан максимум на четыре кнопки. Всевозможные расширения также не обладают желаемой гибкостью. К примеру, популярное среди самодельщиков расширение CH Flightstick Pro позволяет реализовать до 14-ти кнопок, но при этом одновременно нельзя использовать две любые кнопки - о полетах на таких устройствах в играх, в которых приходится постоянно "крутить головой" - в тех же птичках, можно забыть. Некоторые расширения используют исключительно цифровой интерфейс - данные о нажатых кнопках и отклонении ручки передаются по цифровым линиям геймпорта, которые изначально предназначались для передачи данных о четырех "стандартных" кнопках. Я даже считаю такие расширения в чем-то избыточными. Да и преобразование аналоговых данных в цифровые усложняет конструкцию джойстика. Кроме того, не всякая игра захочет понять что за монстр к ней "присосался". А клава - вот она, во всей своей 102-х клавишной красе! Кроме того, масла в огонь подливали подписчики RU.GAME.FLIGHT, время от времени вопрошавшие "а как бы мне клаву приручить и с джоем скрестить?" и уходившие ни с чем.
Короче говоря, задача устройства - "сидеть" на шине между клавиатурой и PC и имитировать нажатие клавиш на клавиатуре, в соответствии с нажатыми кнопками устройства.
Итак, я засел за разработку. До этого у меня был опыт работы с различными микропроцессорами и микроконтроллерами. В общем - пальцы от уха до уха. И я наивно полагал, что вот, сейчас я возьму доки, сделаю RTFM и через неделю буду на белом коне. Вся загвоздка оказалась в том, что документации о протоколе передачи данных между клавиатурой и контроллером я не смог найти ни в Интернете, ни в соответствующих конференциях Фидо. Пришлось брать осцилограф и несколько недель заниматься разбором времянок и попытками их повторить. Поэтому большая часть изложенной ниже информации является результатом моих умозаключений и не подтверждена документально. Если я в чем-то заблуждаюсь - буду рад выслушать комментарии по адресу rashpil@ukr.net
Основные принципы передачи данных

Все нижеследующее справедливо для PS/2 и AT-клавиатур, которые отличаются только исполнением разъема (могут подключаться через переходник).
Между клавиатурой и контроллером, расположенным на материнской плате компьютера (далее - просто "контроллером"), осуществляется двусторонний обмен данными. Контроллер передает различные команды (например - изменение состояния светодиодов или скорости автоповтора). Клавиатура передает скан-коды нажатых клавиш (скан-код - условное обозначение клавиши, не стоит путать с ASCII-кодами).
Скан-коды

При нажатии на клавишу клавиатура передает контроллеру скан-код этой клавиши. При отпускании - сначала префикс 0F0h, а потом скан-код отпущенной клавиши.
Комбинации клавиш с Shift, Alt и Ctrl передаются как последовательность двух скан-кодов. С точки зрения контроллера эти клавиши ничем не отличаются от всех остальных. Точно так же на аппаратном уровне не различаются режими Num Lock и Caps Lock - они различаются на программном уровне программой, которая обслуживает прерывания от клавиатуры.
Коротко хочу остановиться на реализации режима автоповтора. Как правило функции автоповтора возлагаются на саму клавиатуру - через определенное время, если клавиша не отпущена, то клавиатура посылает еще один точно такой же скан-код. Если в это время нажать еще одну клавишу, то к контроллеру "полетит" уже другой скан-код и будет считаться, что нажата только одна клавиша. В играх эта проблема решена элементарно - клавиша считается нажатой, пока не прийдет соответствующий скан-код с префиксом 0F0h. Поэтому я не стал реализовывать функции автоповтора в принципе.
Кроме приведенных выше скан-кодов, клавиатура может возвращать некоторые служебные команды. Но эти команды, равно как и команды, выдаваемые контроллером, не представляют в данном случае практической ценности. Поэтому на них останавливаться не буду.
Описание протокола обмена

Обмен данными между клавиатурой и контроллером осуществляется асинхронно по последовательному протоколу. Суть асинхронной передачи состоит в том, что данные передаются только тогда, когда есть что передавать - нажата/отпущена клавиша на клавиатуре и нужно выдать соответствующий скан-код или контроллеру нужно выдать команду клавиатуре.
Для обмена данными служат две линии - KBData и KBSync. При передаче скан-кодов клавиатура выставляет очередной разряд данных на линии KBData и подтверждает передачу переводом из "1" в "0" сигнала на линии KBSync. При приеме данных от контроллера клавиатура считывает разряд данных с линии KBData и выдает подтверждение приема переводом из "1" в "0" сигнала на линии KBSync. Контроллер может сигнализировать о своей неготовности передавать/принимать данные низким уровнем на линии KBSync. Все остальное время, когда нет данных для передачи, обе линии имеют высокий уровень сигнала. Частота следования импульсов линии KBSync составляет около 10-25КГц.
Данные передаются в таком порядке: один стартовый бит - "0", восемь бит данных, бит четности (сумма всех разрядов +1), один стоповый бит - "1". После приема каждого байта данных контроллер выставляет низкий уровень на линии KBSync, сигнализируя тем самым, что занят обработкой принятых данных и не готов принимать следующие. Это можно считать подтверждением приема. Клавиатура подтверждает каждый байт принимаемой команды выдачей кода 0FAh. При возникновении ошибки при передаче, контроллер может потребовать повторить передачу последнего байта, выдачей команды 0FEh. Клавиатура же ведет себя по-другому - просто игнорирует ошибки. Я не вижу в этом ничего фатального - если ваша система дает частые сбои, то ей не место на рабочем столе.
Скорее всего, мои объяснения были слишком запутаны, поэтому постараюсь проиллюстрировать их несколькими временными диаграммами.
Общий вид передачи данных от клавиатуры (S1 - стартовый бит; S2 - стоповый бит; D0-D7 - данные; P - бит четности; W - обработка принятых данных)
Пример передачи байта 1Ch - клавиша "A"
Пример передачи байта 74h - клавиша "6" на нумпаде. В этом примере при инициации передачи клавиатурой контроллер сигнализирует о своей неготовности принимать данные и клавиатура ожидает освобождения линии KBSync.
Аппаратная реализация

Теперь я перейду непосредственно к описанию реализации устройства в "железе".
Устройство включается в разрыв сигналов KBSync и KBData и пропускает через себя сигналы от/к клавиатуре, опрашивает состояние четырех кнопок и выдает соответствующие скан-коды, имитируя тем самым работу клавиатуры.
Основу устройства составляет однокристальный микроконтроллер AT89C2051. Микроконтроллер AT89C2051 фирмы Atmel принадлежит к семейству MCS-51 (отечественный аналог - МК-51). Основное отличие AT89C2051 от i8051 - пониженное энергопотреблениее, сокращенное до 15-ти количество линий ввода-вывода, отсутствие возможности использовать внешнюю память. Более подробную информацию по AT89C2051 и i8051 можно найти на http://www.atmel.com и http://www.intel.com. Вместо AT89C2051 можно использовать AT89C51, i8051 (КР1816ВЕ51) или i8031 (КР1816ВЕ31) с внешним ПЗУ. Но два последних варианта из-за своего повышеного энергопотребления могут привести к перегоранию предохранителя контроллера клавиатуры.
На микроконтроллерах фирмы Atmel после основного обозначения указывается максимальная частота тактового генератора в мегагерцах. Я советую ставить микроконтроллер расчитанный на частоту 24МГц и кварц с частотой повыше - 16-20МГц.
Принципиальная схема. (R1-R4 - 47K; R5 - 10K; C1, C2 - 18пФ; C3 - 1мкФ; D1 - AT89C2051; BQ1 - кварц 12-24МГц)
Линия P1.4 используется как выход разрешения опроса кнопок. Это - задел для будущих расширений, - линии P1.4-P1.7 будут использованы для выдачи адреса строки для опроса нажатых кнопок (до 16-ти строк по 4-ре кнопки). "0" на линии P1.0-P1.3 означает, что нажата соответствующая кнопка.
Элементы C3 и R5 реализовывают схему генерации сигнала сброса при подаче питания.
Линии KBData со стороны клавиатуры и контроллера подаются на входы P3.2 (INT0) и P3.3 (INT1). Таким образом попытка инициировать передачу данных со стороны клавиатуры или контроллера вызывает соответствующее прерывание. Подпрограммы обслуживания этих прерываний просто транслируют сигналы, соответствующие передаче одного байта, через микроконтроллер. В то время, когда микроконтроллер не занят передачей данных, происходит опрос линий P1.0-P1.4, обработка полученых данных и выдача соответствующих скан-кодов контроллеру. В данной версии приоритет отдается данным, передаваемым самим устройством. Поэтому данные от клавиатуры иногда могут теряться.
Завершая этот раздел, приведу распиновку разъемов AT- и PS/2-клавиатуры.
Сигнал -KBReset - необязательный сигнал. Некоторые контроллеры могут использовать его для сброса клавиатуры.
Текст микропрограммы

Я привожу исходный текст микропрограммы для микроконтроллера AT89C2051 в надежде на то, что пытливый читатель сможет меня поправить или адаптировать программу для работы с другим типом микроконтроллера.


org 0
sjmp start
org 3
jmp from_keyboard ; INT0
org 13h
jmp to_keyboard ; INT1
start
mov a,#5 ; установка типа прерываний
mov tcon,a ; INT0 и INT1 по фронту -
mov a,#0 ; переход из "1" в "0"
mov ip,a
mov a,#85h
mov ie,a
mov a,#0ffh ; по адресу 06h хранится последний
mov 6,a ; обработанный код
clr p1.4 ; разрешение опроса
loop
mov a,p1 ; считывается состояние кнопок
anl a,#15 ; - младшие четыре разряда порта P1
; D0 - вверх
; D1 - вправо
; D2 - вниз
; D3 - влево
mov dptr,#hat_table ; считанные данные о четырех кнопках
movc a,@a+dptr ; расширяются до восьми направлений
; D0 - вверх
; D1 - вправо
; D2 - вниз
; D3 - влево
; D4 - вправо-вверх
; D5 - вправо-вниз
; D6 - влево-вниз
; D7 - влево-вверх
mov r2,a ; сохранение данных
mov r0,a
xrl a,6 ; если новые данные не отличаются от
jz loop ; полученных в предыдущем цикле - повторяем опрос
mov r1,#8 ; цикл для восьми разрядов
loop3
jnb acc.7,loop2 ; "1" - было изменение
push acc
mov a,r1
mov dptr,#key_table-1 ; извлекаем соответствующий скан-код
movc a,@a+dptr
push acc
mov a,r0 ; ресистр R0 - признак нажатия/отпускания
rlc a ; эмулируемой клавиши
mov r0,a ; "1" - "клавиша" была отпущена
pop acc
mov acc.7,c ; если D7=1 - скан-коду будет предшествовать 0f0h
acall send_key ; выдача скан-кода
pop acc
sjmp loop2a
loop2
push acc
mov a,r0
rlc a
mov r0,a
pop acc
loop2a
rl a
djnz 1,loop3
mov 6,r2
sjmp loop
send_key
mov ie,#80h ; прерывания запрещены
acall send2comp ; посылка скан-кода
mov ie,#85h ; прерывания разрешены
ret
send2comp
jnb acc.7,send ; при необходимости первым выдается 0f0h
push acc
mov a,#0f0h
acall send
pop acc
clr acc.7
mov b,#200
l9
nop
djnz b,l9
send
push 1
push 0
clr p3.3 ; P3.3 - KBData
mov b,#6 ; выдача стартового бита
l10
nop
djnz b,l10
clr p3.5
mov b,#15
l2
nop
djnz b,l2
setb p3.5
mov b,#6
l3
nop
djnz b,l3
mov r0,#8 ; выдача восьми бит данных и подсчет четности
mov r1,#1
byte_loop
xrl 1h,a
rrc a
mov p3.3,c
mov b,#6
l6
nop
djnz b,l6
clr p3.5
mov b,#15
l4
nop
djnz b,l4
setb p3.5
mov b,#6
l5
nop
djnz b,l5
djnz r0,byte_loop
mov a,r1
mov c,acc.0
mov p3.3,c ; выдача разряда четности
mov b,#6
l8
nop
djnz b,l8
clr p3.5
mov b,#15
l12
nop
djnz b,l12
setb p3.5
mov b,#6
l13
nop
djnz b,l13
setb p3.3 ; выдача стопового бита
mov b,#6
l7
nop
djnz b,l7
clr p3.5
mov b,#15
l11
nop
djnz b,l11
setb p3.5
mov b,#200
l14
nop
djnz b,l14
setb p3.5
pop 0
pop 1
ret
from_keyboard ; передача одного байта к контроллеру
mov ie,#80h
push psw
push acc
push b
mov b,#2
in6
jnb p3.4,in8
djnz b,in6
sjmp in7
in8
mov b,#10
in1
mov a,p3
rl a
orl a,#11010111b
mov p3,a
jnb p3.4,in1
in2
mov a,p3
rl a
orl a,#11010111b
mov p3,a
jb p3.4,in2
djnz b,in1
in3
mov a,p3
rl a
orl a,#11010111b
mov p3,a
jnb p3.4,in3
mov p3,#0ffh
in4
jb p3.5,in4
in5
jnb p3.3,in7
clr p3.4
jnb p3.5,in5
in7
mov p3,#0ffh
pop b
pop acc
pop psw
mov tcon,#5
mov ie,#85h
reti
to_keyboard ; передача одного байта к клавиатуре
mov ie,#80h
push psw
push acc
push b
mov b,#5
out61
jb p3.5,out7
djnz b,out61
setb p3.4
setb p3.2
out62
jnb p3.5,out62
out6
mov c,p3.4
mov p3.5,c
mov c,p3.3
mov p3.2,c
jb p3.4,out6
out8
mov b,#10
out1
mov c,p3.4
mov p3.5,c
mov c,p3.3
mov p3.2,c
jnb p3.4,out1
out2
mov c,p3.4
mov p3.5,c
mov c,p3.3
mov p3.2,c
jb p3.4,out2
djnz b,out1
out3
mov c,p3.4
mov p3.5,c
mov c,p3.2
mov p3.3,c
jnb p3.2,out3
out7
mov p3,#0ffh
pop b
pop acc
pop psw
mov tcon,#5
mov ie,#85h
reti
hat_table ; таблица для расширения данных считанных с порта P1
; индекс в таблице - четырехразрядный двоичный код
; данные - состояние восьми эмулируемых клавиш
; "0" - клавиша нажата
db 0ffh ; влево+вправо+вверх+вниз=запрещенная комбинация
db 0ffh ; влево+вправо+вниз=запрещенная комбинация
db 0ffh ; влево+вверх+вниз=запрещенная комбинация
db 0bfh ; влево+вниз=влево-вниз
db 0ffh ; влево+вправо+вверх=запрещенная комбинация
db 0ffh ; влево+вправо=запрещенная комбинация
db 07fh ; влево+вверх=влево-вверх
db 0f7h ; влево
db 0ffh ; вправо+вверх+вниз=запрещенная комбинация
db 0dfh ; вниз+вправо=вниз-вправо
db 0ffh ; вверх+вниз=запрещенная комбинация
db 0fbh ; вниз
db 0efh ; вправо+вверх=вправо-вверх
db 0fdh ; вправо
db 0feh ; вверх
db 0ffh ; нет нажатых кнопок
key_table ; таблица скан-кодов
db 75h ; numpad 8
db 74h ; numpad 6
db 72h ; numpad 2
db 6bh ; numpad 4
db 7dh ; numpad 9
db 7ah ; numpad 3
db 69h ; numpad 1
db 6ch ; numpad 7
Сборка и устранение неполадок

Собрать устройство по приведенной выше схеме можно на макетнице, плате вытравленной в домашних условиях или изготовленной промышленным способом. Под микроконтроллер следует поставить панельку. Лучше всего оставить место на плате под 2-3 16-выводных DIP-корпуса - они будут добавлены в последующих версиях.
Собрав полностью устройство, подключаем его к клавиатуре и компьютеру. Три... Два... Один... Поехали!.. Правильно собранное из заведомо исправных компонентов устройство должно заработать сразу. Если нет - проверьте правильность монтажа, наличие питания на микроконтроллере. Осцилографом проверьте, запустился ли тактовый генератор и приходит ли импульс высокого уровня на вход RST при включении питания. При нажатии клавиш на клавиатуре импульсы на линиях P3.3 и P3.5 должны повторять с некоторой задержкой импульсы на линиях P3.2 и P3.4 соответственно. При нажатии/отпускании кнопок устройства на линиях P3.3 и P3.5 должны также появляться ипульсы. Если это не поможет - напишите мне багрепорт, указав модель и тип (AT, PS/2) своей клавиатуры, материнской платы/мультикарты, использованого микроконтроллера и частоту использованого кварцевого резонатора. Я постарался протестировать устройство с максимальным числом доступных мне материнских плат и клавиатур - неполадок выявлено не было. В моем случае использован кварц 14.2МГц.
Known bugs

Текущая версия микропрограммы содержит такие недоработки:

• Не отслеживаются двухбайтовые скан-коды. Это приводит к тому, что иногда, при использовании одновременно хатки и клавиатуры, клавиши клавиатуры "зависают" в нажатом состоянии или воспринимаются неверно;
• Иногда неверно передаются данные от контроллера к клавиатуре. Это может выражаться, например, в том, что не меняют свое состояние светодиоды, при нажатии клавиш Num Lock, Caps Lock, Scroll Lock;
• Дребезг контактов кнопок хатки. Пока что это не стало фатальным для меня в играх.

Планы на будущее

Вот краткий список того, что я хотел бы реализовать в последующих версиях:

• Мелкие багфиксы - более корректная обработка сигналов; отслеживание двухбайтовых скан-кодов
• Подключение матрицы 16x4 - поддержка до 64-х кнопок или двух хаток и до 56-ти кнопок
• Поддержка до 16-ти различных раскладок скан-кодов, сохраненных в ПЗУ микроконтроллера
• Подключение микросхемы NVRAM с возможностью сохранения и перепрограммирования "на лету" до 32-х раскладок скан-кодов.

Заключение

Я постарался изложить все данные, необходимые для понимания принципа функционирования моего устройства. Это описание не претендует на стопроцентную техническую точность. Если я в чем-то заблуждаюсь - пожалуйста изложите мне свою версию событий. Если вы сможете внести в мою схему и/или микропрограмму улучшения и дополнения, если у вас есть идеи относительно дальнейшего развития схемы - также сообщите мне об этом. Кроме того, жду информации от умельцев, которые смогли повторить или адаптировать это устройство под другие типы микроконтроллеров.
Адрес для связи со мной: rashpil@ukr.net