sopc（system on programmable chip，可编程的片上系统）是altera公司提出的一种灵活、高效的soc解决方案。它将处理器、存储器、i/o口等系统设计 需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。sopc是pld和asic技术融合的结果，代表了半导体产业未来的发展方向。

　　altera公司的nios ii核是目前最具代表性的软核嵌入式系统处理器，本文描述的sopc系统以altera niosii为基础，利用sopc builder对nios ii及其外围系统进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足系统设计的需求。

设计课题的确立

本文所描述的sopc系统需要完成以下功能：

　　1．利用ps2接口的键盘作为设计的信号输入和外部控制电路部分；

　　2．利用vga显示接口作为设计的信号输出和显示电路部分；

3．嵌入处理器 + 应用软件。

　　根据以上要求，确立要完成本文设计的3个功能模型，分别是：兼容标准键盘的ps2控制接口逻辑；基于avalon总线的vga显示接口逻辑，以及niosii嵌入式处理器和ps2/vga驱动程序。

系统的组成和结构

　　在sopcbuilder中构造整个系统的连接，包括基本的sopc系统和自定义外设。基本sopc系统的核心是niosii处理器core，它还包含avalon三态总线，以及挂在总线上的外部存储设备接口，包括sram（或sdram）控制接口及flash控制接口；以及定时计数timer和调试jtag_uart模块。而本课题设计的关键就是自定义的外设接口——基于avalon总线协议的ps2接口和vga控制接口。

基于avalon总线协议的ps2控制接口设计

ps2控制接口协议

　　ps2设备接口多用于当今的鼠标和键盘设计，它是由ibm 开发并最早出现在ibm 技术参考手册里。ps2 鼠标和键盘遵循双向同步串行协议，每次数据线上发送一位数据，时钟线上的脉冲就被读入。键盘/鼠标可以发送数据到主机，同样主机也可以发送数据到设备，但主机总是在总线上有优先权，它可以在任何时候抑制来自于键盘/鼠标的通讯，而只需把时钟拉低即可。

　　从键盘/鼠标发送到主机的数据，在时钟信号的下降沿被读取；从主机发送到键盘/鼠标的数据在上升沿被读取。不管通讯的方向怎样，键盘/鼠标总是产生时钟信号。如果主机要发送数据，它必须先告诉设备开始产生时钟信号。ps2设备最大的时钟频率是33khz 而大多数设备工作在10-20khz。设备到主机的通讯过程如图2所示：

　　所有数据安排在字节中，每个字节为一帧，包含了11/12 个位，这些位的含义如下：1个起始位，总是为0；8个数据位，低位在前；1个校验位，奇校验；1个停止位，总是为1；1个应答位，仅在主机对设备的通讯中出现。

　　键盘上包含了一个大型的按键矩阵，它们是由“键盘编码器”来监视的。监视哪些按键被按下或释放了，并在适当的时候传送到主机。而主板上包含了一个“键盘控制器”负责解码所有来自键盘的数据， 并告诉软件什么事件发生。在主机和键盘之间的通讯使用ibm 的协议，最初ibm 使用intel8048 微处理器作为它的键盘编码器，而使用intel8042 微控制器作为它的键盘控制器，这些现 已被兼容设备取代，并整合到主板的芯片组中。

　　键盘的处理器花费很多的时间来扫描或监视按键矩阵。如果它发现有键被按下、释放或按住，键盘将发送“扫描码”的信息包到计算机。扫描码有两种不同的类型：“通码”和“断码”。当一个键被按下或按住就发送通码；当一个键被释放就发送断码。每个按键被分配了唯一的通码和断码，这样主机通过查找唯一的扫描码就可以测定是哪个按键。

基于avalon总线的键盘控制器的fpga实现

　　基于avalon总线的键盘控制器的实现，需模拟intel8042的功能时序，完成键盘控制器的功能模型的建立，并完成其rtl代码。本键盘控制器，不仅完成8042对键盘扫描码的接收功能，还要把扫描码转换为处理器能够识别的ascii码。

　　从键盘读数据：当从键盘收到有效的扫描码就把它放置在输入缓冲区，ibf（输入缓冲区满）标志被设置，产生irq1。如果中断是使能，irq1将激活键盘驱动程序，它指向0x09中断向量。驱动程序将从avalon_ps2_base端口读取ascii码。这个动作会释放irq1并复位ibf标志。接着ascii被驱动程序处理。如下图3显示接收“c”通码的时序，经过11个ps2_clk接收到“c”的扫描码为“0x21”，同时扫描码被转换为ascii码，为“0x63”。图4，模拟了键盘发送一个大写“a”的数据传输时序，其过程为shift通码（0x12），“a”通码（0x1c），“a”断码（0xf0，0x1c），shift断码（0xf0，0x12）。此过程中加入了两个标识位，shift标识（rx_shift_key_on）和断码标识（rx_released），用以显示shift是否被按下，及发送的是通码或断码。

　　往键盘写数据：当你写数据到键盘控制器的