descrição do funcionamento e protocolo de um teclado (pc)bluis/arqc2/arq_teclado.pdf · trabalho...

Departamento de Engenharia Informática Faculdade de Ciência e Tecnologias Universidade de Coimbra

ARQUITECTURA DE COMPUTADORES II Ano Lectivo de 2002-2003

Descrição do funcionamento e protocolo de um teclado (PC)

Elaborado por: Bruno Luís – [email protected] – 995011059 Carla Pacheco – [email protected] - 501011218

Trabalho Teórico – Arquitectura de Computadores II pág. 2

INTRODUÇÃO ....................................................................................................................3

O BÁSICO DO TECLADO ..................................................................................................4

MECÂNICA DO TECLADO.................................................................................................5

CONECTORES DE TECLADO...........................................................................................6

O TECLADO DE COMPUTADORES AMBIENTE DOS .....................................................8

O QUE ACONTECE QUANDO PRESSIONAMOS.............................................................9

UMA TECLA DE UM TECLADO DE COMPUTADOR? .....................................................9

ROTINA DE SERVIÇO DO TECLADO .............................................................................10

VALORES DOS BYTES AUXILIARES PARA “TECLAS ESPECIAIS” ..........................12

COMO DIFEREM AS INTERFACES DOS TECLADOS AT E XT?..................................14

OS DADOS SÃO ENVIADOS PELO TECLADO..............................................................15

PARA O CIRCUITO DE INTERFACE NUMA FORMA SEQUENCIAL ............................15

“SHIFT REGISTER” DE UM MICROPROCESSADOR....................................................17

OUTRAS CONSIDERAÇÕES...........................................................................................18

COMANDOS DO TECLADO.............................................................................................19

SCAN CODES...................................................................................................................21

ESQUEMA E HARDWARE...............................................................................................22

BIBLIOGRAFIA.................................................................................................................23

ÍNDICE


INTRODUÇÃO

De referir que neste trabalho foram realizadas pesquisas e estudos sobre

equipamento IBM.

Os computadores IBM eram equipados

com um teclado que tinha 84 teclas, com as

teclas funcionais no lado esquerdo do teclado.

O teclado conectava com o computador

usando um conector de 5 pin DIN e este era

ligado a uma cavidade na parte posterior da

placa de sistema.

A IBM AT introduziu um teclado de 101 teclas que depressa se tornou modelo de

referência para a maior parte dos PC’s.

Este teclado tinha as teclas funcionais ao

longo do topo do teclado e um teclado

numérico do seu lado direito.

Havia também duas teclas extra

funcionais incluídas neste teclado.


O BÁSICO DO TECLADO

Um típico teclado moderno consiste num chip de processador conectado com a

matriz de teclas ordenadas num array de X e Y linhas.

Os primeiros teclados usavam um chip de processador 8048 e uma matriz de 8

por 11 ou 12. A matriz consistia usualmente em oito linhas de saída e 11 ou 12 linhas de

entrada. Mais tarde, os teclados passaram a usar processadores 8049 e o teclado de 101

teclas precisavam de pelo menos uma matriz de 10 por 11 para aceder a todas as teclas.

O processador do teclado usa uma tabela de procura, para encontrar o código que

representa a tecla que foi pressionada. Quando o processador do teclado encontra a

tecla pressionada durante a sua procura na matriz, ele envia um código para representar

essa tecla para um circuito de interface do teclado no computador.

No passado, muitos sistemas usaram o código ASCII para representar as teclas

na matriz mas os computadores de ambiente DOS usavam um complexo procedimento

para os códigos de pressão e libertação das teclas.


MECÂNICA DO TECLADO

Foram usados três tipos de contacto nos teclados.

Mechanic contact

Este tem um comutador de acções e usualmente proporciona bom tacto e

respostas audíveis. Os melhores teclados têm uma esperança de vida de 1 ou 2 milhões

de pressionamento de teclas por tecla.

Conductive rubber pad

Este tipo de teclado tem evoluído ao longo dos anos. Os exemplos mais antigos

tinham pouca sensibilidade e eram a maior parte das vezes, informais. Hoje em dia, este

tipo de teclado está disponível em ambas as formas, soft-touch e click type e é bastante

formal.

Capacitive contact

Estes teclados de alta qualidade eram populares nos primórdios dos PC’s mas

eram muito caros de produzir. O original PC da IBM, PC/XT e PC/AT usavam este tipo de

teclado. A matriz de teclas é uma série de muito pequenos condensadores unindo as

linhas X e Y da matriz. O topo da tecla pressiona um prato condensador até junto de dois

pratos condensadores na placa do circuito dentro do teclado, aumentando assim a

capacitância entre as linhas X e Y da matriz.


CONECTORES DE TECLADO

O teclado está conectado ao computador via dois tipos de conectores. Até

recentemente, a maior parte dos computadores usavam conectores 5 Pin DIN nas suas

placas de sistema e isto fornecia mais 5 volts e ligação à terra do teclado, e recebia

dados e sinais de relógio do teclado.

Os pinos no conector 5 Pin DIN estão assim definidos:

Pin 1 = Clock (do teclado)

Pin 2 = Data (do teclado)

Pin 3 = Reset (não é usado)

Pin 4 = Ligação à terra

Pin 5 = suplemento de 5 volts

A PS/2 IBM introduziu um pequeno conector, uma miniatura de uma conector 6

Pin DIN, e a interface desta PS/2 está a tornar-se um modelo de referência. Muitas

placas de sistema das modernas, têm ambos conectores 5 Pin DIN e uma miniatura 6 Pin

DIN. Adaptadores estão disponíveis para adaptar ambos os tipos de conectores entre o

teclado e a placa do sistema.

Os pinos de um conector de um teclado PS/2 estão definidos da seguinte forma:

Pin 1 = Data (do teclado)

Pin 2 = n/c

Pin 3 = Ligação à terra

Pin 4 = suplemento de 5 volts

Pin 5 = Clock

Pin 6 = n/c

O teclado AT é conectado ao equipamento externo usando 4 cabos. Esses cabos

estão representados abaixo pelo 5 Pin DIN Macho Plug & PS/2 Plug.

Um quinto cabo pode por vezes ser encontrado. Este foi implementado no sentido

de funcionar como “Keyboard Reset”, mas nos dias de hoje é deixado desconectado nos


teclados AT. Tanto o KBD Clock como o KBD Data são Open Collector bi-direccionais

nas linhas de Input/Output. Se desejado, o Host pode falar com o teclado usando essas

linhas.


O teclado de computadores ambiente DOS

Quando é pressionada uma tecla num teclado, um “Press Code” é gerado pela

acção da pressão da tecla e um “Release Code” é gerado quando a tecla é liberta. Os

“Press Code” e “Release Code” são usados para produzir o “Typematic” (uma

característica do teclado que faz com que uma tecla repita a sua escrita continuamente

enquanto estiver pressionada).

Os dados do teclado são enviados para o Circuito de Interface do Teclado na

placa de sistema. Cada byte dos dados é submetido ao “clock” no circuito de interface por

um “Clock signal”, proporcionado pelo próprio teclado.

O circuito de interface dos teclados PX/XT (a primeira geração dos 8 bits de bus

nos computadores DOS) é um pouco diferente àquele usado nos AT. A interface usada

nos computadores de 8 bits era unidireccional, o teclado apenas fala com o computador e

ao contrário, isso não acontece. Os computadores AT introduziram uma interface

bidireccional e usam um chip de microprocessador 8042 para aceitar os dados vindos do

teclado, e fornecer algum processamento destes. Os processos básicos envolvidos são

os mesmos para ambos os tipos de interface.


O que acontece quando pressionamos

uma tecla de um teclado de computador?

Quando uma tecla de um teclado é pressionada, o processador do teclado

determina um “scan code” da tecla em questão pela sua posição na matriz de teclas. O

“scan code” para cada tecla representa a posição das teclas no teclado. Quando o

teclado tem um tecla pressionada, ele acciona através do seu relógio um “scan code”

representado aquela tecla, para o circuito de interface do teclado na placa de sistema.

Quando o circuito de interface recebe os 8 bits (teclados XT) ou 11 bits (todos os outros

computadores DOS) dos dados da tecla, ele gera uma interrupção de hardware no IRQ1,

para dar início à rotina de serviço do teclado.

Quando o processador do computador detecta o sinal de interrupção de hardware

IRQ 1, via um chip controlador IRQ 8259, ele dá início à rotina de interrupção de

manuseamento com o objectivo de encontrar o número de interrupção que a causou. É

usado então este número para encontrar o vector, da Tabela de Vectores de

Interrupções, que aponta para a rotina de serviço do teclado. O vector é o endereço do

início desse serviço.


ROTINA DE SERVIÇO DO TECLADO

O processador carrega o endereço de início desta rotina num “program counter” e

depois continua no sentido de executar a routina de serviço do teclado. Essa rotina é que

analisa o “scan code” que consta no circuito de interface do teclado e produz um código

de 2 bytes que o coloca no Buffer do teclado e na memória RAM. Outras rotinas dentro

do DOS e suas aplicações, lêem os dados vindos do Buffer do teclado passando-os para

lá.

Um número de teclas do teclado não produzem caracteres mas elas determinam o

que um particular pressionamento numa tecla representa. Estas teclas incluem as duas

teclas de Shift, o Control, o Alt, Caps Lock, Num Lock, Scroll Lock e o Insert.

Estas teclas efectuam 2 bytes de status, alojados na parte mais baixa da memória

RAM, e esses bytes analisam o estado dessas teclas. Quando a rotina de serviço do

teclado aceita um “scan code” do teclado, ela então consulta os dois bytes de status em

417 e 418 (hexadecimal), para ver como o estado dessas teclas afectam os “scan codes”.

Os bits dos bytes de status

Byte 417 (hex) Byte 418 (hex)

Bit 1=active, 0=inactive Bit Significado

7 Estado Insert 7 1 = Ins pressionado

6 Caps Lock 6 1 = Caps Lock pressionado

5 Num Lock 5 1 = Num Lock pressionado

4 Scroll Lock 4 1 = Scroll Lock pressionado

3 Alt 3 1 = Cont-Num lock activo

2 Control 2 1 = keyboard click active

1 Shift Esquerdo 1 Não usado

0 Shift Direito 0 Não usado

Exemplo: A tecla “A”, tem um código de 1E (hex) e pode ser “A”, “a” ou “Alt+A”

dependendo do status do Byte Status.


O estado Shift listado acima, não produz códigos no Buffer do teclado, mas eles

afectam os Bytes de Status, definindo e fazendo o reset dos bits nos bytes que aquela

tecla controla.

A rotina de serviço do teclado gera códigos de 2 bytes, que os coloca no Buffer do

teclado. O buffer do teclado tem 32 bytes de RAM, desde 41E (hex) até 43D (hex). Este é

um buffer circular e o ponteiro para o endereço de início é mantido na localização 41A

(hex) e 41B (hex) e o ponteiro para o endereço final está na localização 41C (hex) e 41D

(hex).

Os códigos de dois bytes tomam a seguinte forma.

Caracteres normais

Main byte (low byte) ASCII code

Aux byte (high byte) SCAN code

Caracteres especiais

Main byte (low byte) 00(zero)

Aux byte (high byte) Scan-code or special code.

Exemplo: A tecla “A” tem um “scan code” de 1E (hex).

Teclas pressionadas Byte auxiliar Byte principal

“A” maiúsculo 1E (hex) 41 (hex) “A” minúsculo 1E (hex) 61 (hex)

Alt+A 1E (hex) 00 (hex)


VALORES DOS BYTES AUXILIARES PARA “TECLAS ESPECIAIS”

A tabela seguinte lista os valores do Byte Auxiliar para as “teclas especiais” num

“velho” teclado de 84 teclas. As teclas extra para os modernos teclados de 101 teclas

estão listadas mais à frente.

É de notar que o Byte Principal será sempre “00” para as teclas especiais.


COMO DIFEREM AS INTERFACES DOS TECLADOS AT E XT?

Os computadores XT e os mais tarde, computadores DOS, lidavam com o

problema da interface do teclado de forma diferente. Hoje em dia, o tipo de interface dos

XT está morto e a primeira interface usada na interface dos teclados AT é a usada em

todos os modernos computadores DOS. O layout de 101 teclas, primeiro introduzido com

os computadores IBM AT, é muitas vezes referido como o teclado AT mas esta

terminologia não é correcta. Alguns teclados têm um switch de interface XT/AT mas a

maior parte dos teclados modernos conseguem detectar o tipo de interface em uso, de

forma automática.


OS DADOS SÃO ENVIADOS PELO TECLADO

PARA O CIRCUITO DE INTERFACE NUMA FORMA SEQUENCIAL

Os dados são enviados do teclado para o circuito de interface na placa de sistema

dos computadores de uma forma sequencial e estes dados são submetidos ao “clock” na

interface, um bit de cada vez pelo “clock signal” que é também fornecido pelo teclado.

Com a interface do teclado tipo AT, os dados tomam a forma de 1 word de 11 bits com 1

Star Bit (low), seguido por 8 bits de dados (o bit menos significativo primeiro), um Bit de

Paridade e um Stop Bit (high).

As linhas de dados e do relógio, existentes entre o teclado e o circuito de interface

deste são normalmente lógicas, com resistors “pull-up” no final do teclado. Quando o

teclado deseja enviar dados de uma tecla para a interface, ele coloca os dados , um bit

de cada vez na linha dos dados e depois coloca a linha do relógio a “low” por curta

duração enquanto mantém cada bit de dados firme. O rate dos dados é tipicamente à

volta dos 10 Kb por segundo.

Nos computadores modernos actuais, as linhas de interface entre o teclado e o

circuito de interface são bi-direccionais e o computador pode enviar comandos para o

teclado via essas mesmas linhas de dados e do relógio. O computador é que tem o

controlo de tudo, e se por algum motivo, o computador não desejar receber dados do

teclado, ele assere a linha do relógio a “low”. O teclado certifica-se do estado da linha do

relógio” antes de tentar enviar dados para o computador e assim verificar se o

computador está pronto para receber dados. Se o teclado denotar a linha do relógio a

“low”, ele pode guardar, nele próprio, 16 pressionamentos de teclas. Irá então

posteriormente enviar esses dados para o circuito de interface aquando da “libertação” da

linha do relógio.

Quando o computador deseja enviar um comando para o teclado, ele força a linha

de dados a estar a “low” e deixa a linha do relógio “high”. Quando o teclado verifica estas

condições, responde com um código (hex) FA. Se o teclado detectar um erro nos dados

transmitidos pelo computador, ele vai responder com um FE (hex) e este código pede a

retransmissão daquele código que estava errado. Os erros são detectados via os Bits de


Paridade que acompanham os códigos enviados pelo teclado ou pelo computador nas

linhas de interface do teclado.


“SHIFT REGISTER” DE UM MICROPROCESSADOR

Nos computadores de tipo XT, o circuito de interface do teclado consiste numa

“Serial In – Parallel Out Shift Register” e alguns circuitos lógicos para gerarem um

“Hardware Interrupt” (IRQ1) quando os dados de uma tecla pressionada são carregados

para o “shift register”. A rotina de serviço interrupt invocada por IRQ1 lê os dados da tecla

do “shift register” via um chip I/O programável 8255.

Nos computadores de tipo AT, o circuito de interface do teclado é um chip

microprocessador 8042. O processador do interface recebe os dados de forma

sequencial do teclado, verifica a paridade dos dados e apresenta os dados no Buffer de

saída. O controlador irá então gerar um IRQ1 para chamar a rotina de serviço do teclado

para levar os dados do Buffer. O processador da interface do teclado também tem um

Buffer de entrada que irá aceitar os comandos para serem transmitidos para o teclado.


OUTRAS CONSIDERAÇÕES

A maior parte do pressionamento de teclas produz um “keycode” que representa a

posição das teclas no teclado. Dois tipos de “keycodes” são enviados pelo teclado para o

circuito de interface do teclado na placa de sistema dos computadores. O código do

“keypress” (make code) é enviado quando uma tecla é pressionada e o código de

“Release” (break code) é enviado quando a tecla é liberta.

Muitos teclados de computadores DOS suportam 3 conjuntos de códigos para

pressionamento ou libertação de teclas. Definir-se-á esses conjuntos como Modo um,

dois e três.

No modo um, o modo XT, o código de “keypress” é um código de 7 bits com o 8º

bit sempre a “0”. O código de “release” é um código de “keypress” com o bit “8” asserido

a 1. O bit “8” é sempre “0” nos códigos de “keypress” e sempre “1” nos códigos de

“release”.

O modo dois é um conjunto de 84 códigos de teclas onde as teclas comuns ao

teclado de 84 e ao de 101 teclas usam os mesmos códigos “Press” e “Release”. As

“novas teclas” são enviadas com o prefixo E0.

Neste modo, os dados são enviados do teclado para o circuito de interface do

teclado do mesmo modo que no 1 e no fim da transmissão a interface do teclado não irá

permitir a ligação até que o sistema aceite os dados enviados. Se os dados recebidos

tiverem um erro de paridade, o circuito de interface do teclado irá enviar um comando

Reset para o teclado.

O modo très elimina todas as confusões do modo 2 atribuíndo a cada uma das

teclas um único “Press code” mas muitos teclados não suportam este modo e muitos não

suportam o comando “Change Mode” (F0).


COMANDOS DO TECLADO

Para além dos “scan codes”, comandos também podem ser enviados e recebidos

pelo teclado. A secção que se segue, detalha a função desses comandos. É de notar que

estes comandos são apenas os de uso mais comum.

Comandos de “host”

Estes comandos são enviados pelo “host” para o teclado. O comando mais

comum sera o de “setting/resetting” dos Indicatores de Status. (isto é, os LEDs do Num

Lock, Caps Lock e Scroll Lock). Os comandos mais usuais e úteis são os seguintes:

ED Set Status LED’s – Este comando pode ser usado para ligar ou desligar os

LED’s do Num Lock, Caps Lock e Scroll Lock. Depois de enviar ED, o teclado irá

responder com um ACK (FA) e espera por outro byte que determina o Status. O bit 0

controla o Scroll Lock, bit 1 o Num Lock e o bit 2 o Caps Lock. Bits de 3 a 7 são

ignorados.

EE Echo – depois de enviar um comando Echo para o host, o teclado deverá

responder com um Echo (EE).

F0 Set Scan Code Set – Depois de enviar F0, o teclado irá responder com um

ACK (FA) e esperar por outro byte, 01-03 que determina o “scan code” usado. Enviando

00 como segundo byte irá devolver o “scan code set” correntemente em uso.

F3 Set Typematic Repeat Rate – O host irá executar o comando acknowledge

com FA e esperar pelo Segundo byte, que determina o “Typematic Repeat Rate”.

F4 Host Enable – limpa o buffer dos teclados “output”, permite o scanning do host

e devolve um acknowledge.

F5 Host Disable – executa o reset ao teclado, e não permite ao Host o scanning e

devolve acknowledge.


FE Reenvia – Depois da recepção do comando reenviado, o teclado irá

retransmitir o ultimo byte enviado.

FF Reset – Faz o reset do Host.

Comandos

Se os comandos de Host são enviados do Host para o teclado, então os

comandos de teclado deverão ser enviados do teclado para o Host. Em baixo, alguns dos

comandos que o teclado pode enviar.

FA - Acknowledge

AA – Power On Self Test Passed (BAT completed)

EE – Comando Echo (Comandos de Host)

FE Resend – Depois da recepção do comando reenviado, o Host deverá

retransmitir o ultimo byte enviado.

00 - Erro ou Overflow do Buffer

FF – Erro ou Overflow do Buffer


SCAN CODES

O diagrama abaixo mostra o “scan code” atribuído a cada uma das teclas. O “scan

code” é mostrado abaixo da tecla. Por exemplo, o “scan code” para a tecla “Esc” é o 76.

Todos os “scan codes” estão em notação hexadecimal.

Como se pode denotar, as atribuições dos “scan codes” são particularmente ao

acaso. Na maior parte dos casos, o caminho mais fácil para converter o “scan code” para

ASCII será o de usar uma tabela de consulta. Abaixo, os “scan codes” para o “extended

keyboard” e o teclado numérico.


ESQUEMA E HARDWARE

O esquema abaixo mostra as conexões gerais do teclado.

O pino TXD, enquanto transmite num formato RS-232 não está nos níveis de

voltagem RS-232. Se se quer conectá-lo em equipamentos RS-232, então será

necessário juntar um conversor de nível RS-232. Outra opção é, num sistema de

desenvolvimento, conectá-lo directamente ao pino RXD.

O teclado requer outputs “open collect/open”. Isto é atigindo usando o Data

Direction Register (DDR). Um “0” é escrito para a parte onde está internamente ligado. O

DDR é então usado para mudar a linha de “0” lógico para alta impedância. Se o pino da

porta é output, um “0” lógico está representado no pino, se a porta está configurada como

input, esta terá grande impedância.

O circuito está definido para executar em 4 MHz (2 MHz de Bus Speed). O timing

para a transmissão RS-232 é baseado no Bus Speed, assim o seu processador (cristal)

tem de ser de 4 MHz.

Um teclado standard pode drenar cerca de 300 mA, no máximo, assim é

recomendado que use o seu próprio regulador do que ir buscar recursos a outro lado.


BIBLIOGRAFIA

http://h18000.www1.hp.com/athome/international/br/tutorials/keyboard/inde

x.html

http://www.di.uminho.pt/~amp/textos/COA/node9.html

http://www.repairfaq.org/filipg/LINK/PORTS/F_Keyboard_FAQ.html

http://www.simpits.org/engineering/KeyEmu/Key_Emu.html

descrição do funcionamento e protocolo de um teclado (pc)bluis/arqc2/arq_teclado.pdf · trabalho...

Documents