趣味の電子工作とプログラミング

　以前作成したPIC32MXのSDカードブートローダーを使用して、Katsumi氏のKM-BASICを動作させることができました。BASICということでとても気軽にプログラムを書けるのですが、現在の仕様ではパソコン等でBASICのソースファイルを作成し、SDカードに保存してから、SDカードブートローダでKM-BASICを起動する、という手順を踏まなくてはなりません。プログラムを修正するたびにこれを繰り返すのはとても面倒で、せっかくのBASICの気軽さもなくなってしまいます。これを解決するには、PIC上でBASICのソースプログラムを作成・更新できるようにする必要があります。そこでまずはPIC32MXにキーボードを接続して読み込ませる実験を行ってみました。

以前使った基板を改造して作ったので、6個のボタンとSDカードスロットがありますが、
今回の実験では使っていません。また乾電池2本では動作しません。

　PS/2インターフェイスやPS/2キーボードの詳細や応用については、多くのWebサイト等で解説されていますので、ここでは詳しくは解説しません。私は以下のようなサイトを参照しました。

　アイオーアイオー氏　PS/2 マウス/キーボード プロトコルとインターフェース
　　　PS/2インターフェイスの通信仕様書の日本語訳をしてくれています。
　Sazanami Online　PS/2 インターフェイスの研究
　　　PS/2キーボードのコマンドとスキャンコード一覧が掲載されています。

　これらからわかったことを簡単にまとめると、以下の通りです。
　１．通信はCLKとDATの2本線で行う
　　　キーボードからのデータ受信は、CLKの立ち下がりを検出しその時のDATを読み込む。
　　　CLKの周期は60〜100マイクロ秒。
　２．信号は一方通行ではなく双方向通信が可能
　　　ホスト側からキーボードへのコマンド送信に対応しており、CLK、DATとも双方向対応が必要。
　　　出力が衝突する可能性があるため、ポートはオープンドレイン（またはオープンコレクタ）接続とし、
　　　5Vでプルアップをする。
　３．キーボードからは「スキャンコード」が送られる
　　　キーボードから送られるデータは「スキャンコード」と呼ばれるキー1つずつに対応したコードとなっている。
　　　キー押下時とキーリピート発生時に通常のMakeコードが送られ、キーを離した時はBreakコードが送られる。
　４．キーボードへのコマンド送信方法
　　　CLK信号を強制的に100マイクロ秒以上Lレベルにすることで、キーボードはコマンド受信待ちとなる。
　　　その後DAT信号のスタートビット（Lレベル）を検出すると、CLKラインにコマンド受信用のパルスを
　　　60〜100マイクロ秒周期で発生させるので、そのタイミングでDATに信号を出力する。

　キー押下により、以下のような出力が得られるシステムを作成します。
　　・アプリケーションから一定期間ごとに呼び出しを行い、キーが押されていた場合、1つのキーコードを返す。
　　　その際に同時に押されていたシフト関連キーの状態も合わせて返す。
　　　期間内に複数キーが押された場合はバッファしておき、次回呼び出しで2つ目のキーコードを返す。
　　・キーコードはキーボードの種類によらない仮想キーコードとする。
　　　独自のものを考えるのは面倒なので、マイクロソフトのWindowsで使用されているコード互換とする。
　　・英数記号キーが押された場合は、キーコードのほかASCIIコードも合わせて返す。
　　　シフトキーやCAPSLock、NumLockの状態によって大文字小文字等も区別する。
　　・全キーのリアルタイムの押下状態をキーコードの配列で保持する。

　作成したシステムは大きく以下の機能に分けることができます。

信号送受信

　パソコンの場合は専用のPS/2コントローラが内蔵されていますが、PICにはその機能はありませんのでソフトウェアで実現する必要があります。一番ハードウェア寄りの部分です。
　最初にいずれかのキーが押された時、RB9ポートのCLK信号が立ち下がります。この検出には入力ポートの変化による割り込み（CN割り込み）を使用しました。必要ビット数分の割り込みで受信が完了するとスキャンコードとしてスキャンコードバッファに格納します。
　また、キーボードへのコマンド送信中はキーボードからCLK信号のパルスが定期的に発生するので、それに合わせてデータを順次送信します。
　受信にはPIC32のDMA（Direct Memory Access）機能を使用し、CN割り込み発生時にRBポートの内容が自動的にバッファされるように変更しました。そのため、実際には割り込みルーチンには飛びません。バッファされたシリアルデータはTimer5で定期的にチェックし、受信完了したものからスキャンコードバッファに格納するようにしました。(2017.5.6)

　今回のシステムではキーボード読み込みだけでなく、画面信号出力も同時にソフトウェアで行うため、割り込みが多用されています。割り込み優先順位を間違えると正常に動作せず、暴走することがありますので、注意が必要です。以下の表に使用している割り込みをまとめました。優先度の数字が大きいほど優先順位は高くなります。

　本当は映像信号出力関係の割り込みを最優先としたかったのですが、処理にかかる時間が長過ぎてキーボードからの信号を取りこぼしてしまうため、キーボードの信号送受信を最優先としました。そのため、キーボードを操作すると、画面が一時的にちらつくこととなります。
　また、今回の実験で利用した映像信号出力システムは、以前作成したカラーテキストビデオ出力実験のシステムですが、自分より優先度の高い割り込みが発生することを想定していなかったため、一部プログラムを修正しました。
　データ受信時にDMA機能を利用することで割り込み処理が不要となったため、ちらつきはなくなりました。コマンド送信（Num Lockキー押下によるインジケータランプ点灯など）は割り込み処理で行うためちらつきがあります。(2017.5.6)

　アプリケーション側では、以下の関数とグローバル変数を利用してキーボードのチェックを行うことができます。
■関数
　int ps2init (void)
　　　　　　PS/2ライブラリ初期化。
　　　　　　正常終了で0、キーボード未検出などの異常終了で-1を返す。
　　　　　　(2016.5.3) 呼び出す前に必ずグローバル変数lockkeyとkeytypeを設定するよう仕様変更
　　　　　　　　　　　　unsigned char lockkey　初期化時にLockキーの状態指定。下位3ビットが
　　　　　　　　　　　　unsigned char keytype　キーボードの種類。0：日本語109キー、1：英語104キー

　unsigned char ps2readkey (void)
　　　　　　仮想キーコードバッファから1キー分読み込み、グローバル変数vkeyに格納。
　　　　　　また、英数記号キー押下の場合は戻り値としてASCIIコードを返す。それ以外は0を返す。
　　　　　　呼び出しが行われないままキーが押し続けられ、キーコードバッファがあふれた場合、
　　　　　　後から押されたキーが無効となる。

　unsigned char shiftkeys (void)
　　　　　　シフト関連キーの現在の押下状態を返す。キーコードバッファの上位8ビットと同じ。

■グローバル変数
　unsigned char ps2keystatus [256]
　　　　　　キーコードに対応するキーの押下状態を表す配列。押下時は1、離している時0。

　unsigned short vkey
　　　　　　ps2readkey ( )を呼び出した時にキーコードバッファの先頭から読み出した値。
　　　　　　下位8ビットにキーコード、上位8ビットにキーが押下された時のシフト関連キーの値を保持。

　今回の実験は、カラービデオ画面出力をしながらPS/2キーボードの読み込みを行うところまでですが、この先は冒頭に書いたように、PIC32MX上でBASICのソースプログラムを作成・更新できるように、テキストエディタを作成し、SDカードに保存するところまで行いたいと考えています。そしてPIC32MXシステムだけで完結するKM-BASIC動作環境を実現したいと思っています。
　(2015.12.5) テキストエディタが完成しました

(2015.12.5追加)

　上述のPS/2キーボード利用機能をライブラリ化して、扱いやすくしました。また、カーソル点滅したり、文字列配列へのキー入力など便利機能をいくつかまとめたCのソースファイルも作成したので、合わせて添付しました。

　何かご不明点やご意見などありましたら、お気軽にこちらの掲示板に書き込みをお願いします。