FPGA基础入门【13】开发板USB键盘控制，教你做硬核键盘侠

原创最新推荐文章于 2026-10-12 15:15:54 发布 2.9w 阅读 AI写同款

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FPGA纯逻辑实现USB设备：低成本、全功能开源方案详解 USB（通用串行总线）是连接计算机与外部设备的主流接口标准，其核心原理在于通过标准化的协议实现主机与设备间的数据交换与控制。在嵌入式系统开发中，为FPGA项目添加USB通信功能通常需要外接专用芯片或使用集成PHY的高端FPGA，这增加了硬件成本与设计复杂度。开源项目“FPGA-USB-Device”提供了一种创新的技术方案，它利用FPGA的可编程逻辑资源，在内部直接实现了完整的USB 1.1全速设备控制器。该方案将复杂的USB协议栈，包括物理层信号处理、数据链路层打包以及事务管理，全部用Verilog硬件描阅读详情

AI摘要

本教程讲解如何使用FPGA开发板实现USB键盘控制，包括键盘控制信号解析、逻辑设计及代码实现，通过实例演示如何读取键盘扫描码并转换为ASCII字符。

上一篇教程挖了个USB键盘的坑，这一篇来填它，教你做硬核键盘侠

键盘控制信号

和USB接口有关的引脚连接和PS/2接口协议在上一篇教程介绍过，这里重复一次：
PS/2 Control

connection
具体可以参考NEXYS 4开发板文档

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。

接收键盘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。

PS2 detail
从Host发送指令到键盘的步骤如下

一般时钟Clock信号都是由键盘驱动的，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，这时键盘侦测到标为3的时钟上升沿，数据Data位0，准备接受指令
键盘开始驱动时钟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

键盘

对键盘来说，它用的是扫描码，每个按键对应一个代码，当一个按键被按下，每100ms会重复发送一次；当这个按键被松开，一个0xF0被发出，跟着是那个被松开的按键。那些可以被shift的按键，比如大小写字母和可以代表符号的数字键，它的扫描码后面会跟着shift码，FPGA需要根据这个来决定用哪个ASCII字符。有些按键，比如Ctrl和Alt被按下时，会在扫描码前先发一个E0，当它们被松开时，会发E0 F0，并跟随着相应按键的扫描码。

这部分比较复杂，需要写相应代码来确定使用哪个ASCII码，相应按键的扫描码如下：
keyboard
有一个网站把这部分写的比较清楚：PS2 controller
其中就包含了一张键盘字符表，每个按键KEY都有对应按下（MAKE）的代码，和松开（BREAK）的代码：
character table

键盘的一些其他特殊指令如下，我们可以用Echo回声测试指令，看键盘是否会返回相应数据
keyboard command

逻辑设计

这个逻辑结构计划基本照搬上一篇教程中用串口控制USB鼠标的逻辑，因为两者用的都是PS/2控制协议，只需要调用之前写的ps2_transmitter.v，并对顶层做少量的修改即可。

修改后的顶层代码usb_keyboard.v如下：
引脚基本不变，只是去掉了不必要的LED

module usb_keyboard(
    input             clk,
    input             rst,
    
    // UART port
    inout             USB_CLOCK,
    inout             USB_DATA,
    
    // UART port
    input             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;

PS2控制模块不变

// 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)
);

串口输出逻辑不变，一样是把PS/2收到的8位数转化成2个十六进制符号传回，并且把PC端输出的指令传回

// 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) begin
    if(rst) begin
        tx_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 register
    else if(PS2_valid) begin
        case(PS2_data_in[3:0])
        4'h0: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0000011001; end
        4'h1: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100011001; end
        4'h2: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0010011001; end
        4'h3: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0110011001; end
        4'h4: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0001011001; end
        4'h5: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0101011001; end
        4'h6: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0011011001; end
        4'h7: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0111011001; end
        4'h8: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0000111001; end
        4'h9: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100111001; end
        4'hA: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0100000101; end
        4'hB: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0010000101; end
        4'hC: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0110000101; end
        4'hD: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0001000101; end
        4'hE: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0101000101; end
        4'hF: begin tx_shift[9:0] <= 10'b0011000101; end
        endcase
        
        case(PS2_data_in[7:4])
        4'h0: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0000011001; end
        4'h1: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100011001; end
        4'h2: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0010011001; end
        4'h3: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0110011001; end
        4'h4: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0001011001; end
        4'h5: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0101011001; end
        4'h6: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0011011001; end
        4'h7: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0111011001; end
        4'h8: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0000111001; end
        4'h9: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100111001; end
        4'hA: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0100000101; end
        4'hB: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0010000101; end
        4'hC: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0110000101; end
        4'hD: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0001000101; end
        4'hE: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0101000101; end
        4'hF: begin tx_shift[19:10] <= 10'b0011000101; end
        endcase
        
        CTS_delay <= 20'h00000;
    end
    // When receiving data, output the same thing in the meantime
    else if((~RXD) || rx_start) begin
        TXD <= RXD;
        CTS <= 1'b0;
    end
    // Shift out the received data
    else begin
		if(tx_count < 16'd867) begin
			tx_count <= tx_count + 16'd1;
		end
		else begin
			tx_count <= 16'd0;
		end
		
		if(tx_count == 16'd0) begin
			TXD <= tx_shift[19];
			tx_shift <= {tx_shift[18:0], 1'b1};
            CTS <= CTS_delay[19];
            CTS_delay <= {CTS_delay[18:0], 1'b1};
		end
    end
end

把用来控制鼠标的指令修改一下，0是复位指令0xFF，1是LED等配置0xED，用来控制键盘上大写锁定、滚动锁定、小键盘锁定LED，跟随着2的最低3位分别指定这三个LED都亮起，3是回声测试0xEE，4是重传指令0xFE

// Input from uart
(* dont_touch = "true" *)reg [7:0]  RXD_delay;
reg [15:0] rx_count;
(* dont_touch = "true" *)reg [3:0]  rx_bit_count;
reg        rx_start;

always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if(rst) begin
        RXD_delay <= 8'h00;
        rx_count <= 16'd0;
        rx_bit_count <= 4'd0;
        PS2_enable <= 1'b0;
        rx_start <= 1'b0;
    end
    else if(~RTS) begin
        if(rx_count < 16'd867) begin
			rx_count <= rx_count + 16'd1;
		end
		else begin
			rx_count <= 16'd0;
		end
        
        if( (rx_count == 16'd0) && (~RXD) && (~rx_start) ) begin
            RXD_delay <= 8'h00;
            rx_bit_count <= 4'd0;
            rx_start <= 1'b1;
        end
        else if( (rx_count == 16'd0) && rx_start && (rx_bit_count != 4'd8)) begin
            rx_bit_count <= rx_bit_count + 4'd1;
            RXD_delay <= {RXD_delay[6:0], RXD};
        end
        else if( (rx_count == 16'd0) && rx_start) begin
            rx_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; end // Reset
            8'b10001100: begin PS2_data_out <= 8'hED; end // Set status LED
            8'b01001100: begin PS2_data_out <= 8'h07; end // LED byte
            8'b11001100: begin PS2_data_out <= 8'hEE; end // Echo
            8'b00101100: begin PS2_data_out <= 8'hFE; end // Resend
            default: begin PS2_data_out <= 8'hEE; end
            endcase
        end
        else begin
            PS2_enable <= 1'b0;
        end
    end
end

endmodule

编译烧写测试

由于代码是基于上一篇USB鼠标的教程，已经实际测试过，因此这里跳过仿真步骤，如果需要的话可以仿照前几篇教程中的仿真进行。

在Vivado中新建名为usb_keyboard的工程，选择NEXYS 4 DDR 作为配置，并加入修改好的顶层代码usb_keyboard.v和上一篇教程中写好的ps2_transmitter.v。

加入由官方约束文件NEXYS4.xdc修改成的引脚约束文件usb_keyboard.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]


##Switches

set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports rst]


##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 Interface

set_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]

开始编译综合生成bitstream，为开发板连上USB烧写线，并烧写进bitstream。复位后打开Putty串口控制窗口，配置方式如下：
uart1
uart2
为开发板上连上USB键盘，如果你只有一个键盘，可以在PC端开启一个虚拟键盘On-Screen Keyboard。先后输入几个指令，看到串口控制窗口如下：
console

AA是接上键盘后传回的自测试完成信号0xAA
0FAAA，发出0复位指令0xFF，键盘传回0xFA确认Acknowledge，重新自测试并传回自测试完成信号0xAA
1FA2，发出1配置LED指令0xED，键盘返回0xFA确认，然后在发出2具体LED信息0x07，最低3位都是1，将全部三个LED都亮起，如下面的图片所示，键盘上两盏LED都亮起，还有一个大写锁定在另一边没拍下来
3EE，发出3回声测试0xEE，键盘返回0xEE
58F058EBF02B3CF03C21F02142F042，“随便”在键盘上打了几个字母，比如0x58是大写锁定，0xF058是松开大写锁定，其他几个字母都可以通过查上方的字符表得到
442，发出4重传指令0xFE，把键盘中最后发出的数据0x42重传了一遍

keyboard