Keyboard Controller
Aus Lowlevel
Der Keyboard Controller (KBC) sitzt auf dem Mainboard und dient, wie der Name vermuten lässt, unter anderem der Tastaturansteuerung. Da IBM ihn nach seiner Einführung stark erweitert hat, kann man ihn in heutigen Systemen eher als Kontroller "für alles mögliche" ansehen.
Der KBC wurde mit dem AT System (286) eingeführt. In dem Vorgängersystem XT wurde für vergleichbare Aufgaben das Programmable Peripheral Interface (PPI) genutzt.
Inhaltsverzeichnis |
Funktionen des KBC
- Ansteuerung eines oder zweier Auxiliary Port(s) (Tastatur, Maus)
- ein-/ausschalten der 21-Adressleitung (A20-Gate; Sollte aus Performance-Gründen in aktuellen Systemen direkt über die CPU aktiviert werden.)
- CPU-Reset auslösen, also neustarten des Systems
- Zusammen mit dem PIT den Systemlautsprecher ansteuern.
- Information ob das System eine Monochrom- oder Farbgrafikkarte benutzt (Irrelevant: Farbgrafik wurde mit XT Systemen als Standard eingeführt!)
Kommunikationswege
Normalerweise wird der erste Auxiliary Port (PSAUX0*) für eine Tastatur verwendet und an den zweiten (PSAUX1*) ein Maus oder ein anderes Zeigegerät angeschlossen. Technisch unterscheiden sich die beiden Ports nicht. Daher kann man dort beliebige Gerätekombinationen anschließen, solange das BIOS nicht mit einer Fehlermeldung stoppt, weil es bestimmte Geräte an bestimmten Ports erwartet. Beliebige Gerätekombinationen werden z.B. von Linux unterstützt, nicht jedoch von Windows.
(*Anmerkung zu PSAUX0 und PSAUX1: Diese Begriffe habe ich mir "ausgedacht", da ich keine vernünftige offizielle Bezeichnung kenne. Man wird diese Begriffe also in keiner anderen Referenz finden. Außer es wurde hier abgeschrieben.)
USB Legacy Support
Diese von vielen Mainboards bereitgestellte Funktion simuliert angeschlossene USB-Geräte wie Maus und Tastatur als PS/2 Geräte.
Dies hat für Programmierer Vor- und Nachteile. Einerseits muss man für die Unterstützung solcher Eingabegeräte keine eigenen USB Treiber programmieren. Andererseits ergeben sich damit einige der hier aufgelisteten Probleme:
- Auf manchen Systemen Läuft IMMER eine Abstraktionsschicht mit, auch wenn keine USB Geräte angeschlossen sind. Dies kann zur folge haben, dass die Intellimaus-Extension nicht funktioniert. Oder dass man nicht, wie weiter oben beschrieben, beliebige Geräte an ein PSAUX Port anschließen kann. (wird nicht erkannt)
- Das SMM BIOS, über welches die USB zu PS/2 Abstraktion stattfindet, unterstützen nicht immer den Betrieb über 32Bit Protected Mode. Die Benutzung erweiterter Speichertechniken oder des Long Mode kann das System daher zum Abstürzen bringen!
Diese Probleme sind nicht mehr vorhanden wenn der Legacy-Modus ausgeschaltet wurde.
Nach meinen Informationen wird der Legacy-Modus ausgeschaltet sobald der USB-Chip initialisiert wird. Also die Hardware weiß, dass die Software die USB Geräte direkt ansteuern kann. (Ist diese Information korrekt?)
Programmieren des KBC
Programmiert wird der KBC über die 2 Ports 0x60 und 0x64. Dabei werden auf den Ports nur Bytes gesendet und empfangen.
Über den Port 0x64 kann man das Statusregister auslesen und KBC-Befehle senden.
Der Port 0x60 dient als Ein-/Ausgabe Puffer. Parameter oder Rückgabewerte für einen Befehl werden über diesen Port geschrieben bzw. gelesen. Wenn keine Befehlsparameter erwartet werden und man auf den Port 0x60 schreibt, wird direkt an PSAUX0 weitergeleitet.
- Vor dem Schreiben auf Port 0x60 oder 0x64 muss der Eingabepuffer leer sein. (Port[0x64].Bit[1] == 0)
- Vor dem Lesen von Port 0x60 muss der Ausgabepuffer voll sein (Port[0x64].Bit[0] == 1)
Statusregister
lesen von Port 0x64
Bit 76543210
│││││││└─ Status des Ausgabepuffers (KBC -> CPU) : 0=leer; 1=voll (es kann von Port 0x60 gelesen werden)
││││││└── Status des Eingabepuffers (KBC <- CPU) : 0=leer (Schreiben auf 0x60 oder 0x64 möglich); 1=voll
│││││└─── 1=Erfolgreicher Selbsttest (Wie Controller_Command_Byte.Bit[3]; sollte immer 1 sein)
││││└──── zuletzt benutzter Port : 0=0x60; 1=0x61 oder 0x64?
│││└───── Tastatursperre : 0=Tastatur gesperrt; 1=Tastatur nicht gesperrt
││└────── PSAUX?
│└─────── Timeout : 1=Tastatur oder PSAUX-Gerät ragiert nicht?
└──────── Paritätsfehler : 1=Beim letzten Byte Senden/Empfangen trat ein Paritätsfehler auf
Input Port P1
Nur aus Vollständigkeitsgründen hier aufgeführt!!! Wie man mit einem kurzen Blick erkennen kann heute nicht mehr relevant! Lesen über KBC-Befehl 0xC0
Bit 76543210
│││││││└─ Keyboard data in pin?
││││││└── PS/2 mouse in pin?
│││││└─── Unused in ISA, EISA, PS/2 systems, Can be configured for clock switching
││││└──── Unused in ISA, EISA, PS/2 systems, Can be configured for clock switching
│││└───── Speicher auf dem Mainboard: 0= 512 KB, 1= 256 KB
│││
││└────── Manufacturing jumper 0= installed, 1= not installed
││ with jumper the BIOS runs an infinite diagnostic loop
│└─────── Grafikkarte: 0=Color Graphics Adapter (CGA), 1=Monochrome Display Adapter (MDA)
│ Kleiner Tip: CGA wurde mit den XT System eingeführt. ;)
└──────── Tastatursperre : 0=Tastatur gesperrt; 1=Tastatur nicht gesperrt
Outputport
Lesen über KBC-Befehl 0xD0
schreiben über KBC-Befehl 0xD1
Bit 76543210
│││││││└─ 1=CPU-Reset
││││││└── 1=A20-Gate eingeschaltet
│││││└─── ? PS/2 mouse data out
││││└──── ? PS/2 mouse clock signal
│││└───── ? 1: Output buffer full
││└────── ? 1: Output buffer PS/2 mouse full
│└─────── ? Keyboard clock signal
└──────── ? Keyboard data out
Controller Command Byte
Lesen über KBC-Befehl 0x20
Schreiben über KBC-Befehl 0x60
Bit 76543210
│││││││└─ 1=Erzeuge einen IRQ1 wenn PSAUX0 daten auf Port 0x60 ausgibt
││││││└── 1=Erzeuge einen IRQ12 wenn PSAUX1 daten auf Port 0x60 ausgibt
│││││└─── 1=Erfolgreicher Selbsttest (Wie Statusregister.Bit[3]; sollte immer 1 sein)
││││└──── AT : 1=Tastatursperre Ignorieren (Statusregister Bit4 immer 1)
││││ PS/2: 0 (unbenutzt)
│││└───── 1 = Die Taktleitung zu PSAUX0 auf low halten und damit das Senden/Empfangen unterbinden
││└────── EISA, PS/2 : 1 = Die Taktleitung zu PSAUX1 auf low halten und damit das Senden/Empfangen unterbinden
││ ISA : 0 = Benutze 11 Bit Übertragung, Paritätsüberprüfung und konvertiere PSAUX0 Bytes*
││ 1 = Benutze 8086 Übertragung, keine Paritätsüberprüfung oder Konvertierung
│└─────── ? 1=Der KBC übersetzt von PSAUX eingehenden Bytes*
└──────── 0 (reserviert)
- KBC Scancode-Übersetzung: http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/kbd/scancodes-10.html#translationtable
KBC-Befehle
schreiben auf Port 0x64 (Bevor man auf Port 0x64 schreibt, muss der Ausgabepuffer leer sein (Port[0x64].Bit[1]==0) und die Tastatur darf sich nicht mehr im Resetmodus befinden (Port[0x64].Bit[2]==1))
0xAA Tastatur-Selbsttest. Sollte 0x55 auf Port 0x60 zurückgeben. 0xAB Testen des Tastaturanschlusses. Auf Port 0x60 wird ein Byte zurückgegeben: 00h: No error 01h: Clock low 02h: Clock high 03h: Data low 04h: Data high ffh: Total Error 0xAD Deaktivieren der Tastatur 0xAE Aktivieren der Tastatur 0xC0 Lesen des Inputports. Gibt den Inhalt vom Inputport auf Port 0x60 aus. (Siehe: Inputport) 0xD0 Lesen des Outputports. Gibt den Inhalt vom Outputport auf Port 0x60 aus. (Siehe: Outputport) 0xD1 Schreiben des Outputports. Den neuen Wert für das Outputport auf Port 0x60 schreiben. (Siehe: Outputport) 0xD2 ? 0xD3 ? 0xD4 ? 0xE0 ? 0xFx ?
Tastatur-Befehle
schreiben auf Port 0x60 (Bevor man auf Port 0x60 schreibt, muss der Ausgabepuffer leer sein (Port[0x64].Bit[1]==0) und die Tastatur darf sich nicht mehr im Resetmodus befinden (Port[0x64].Bit[2]==1))
0xED Setzen der LEDs auf der Tastatur. Ein zweites Byte wird über Port 0x60 gesendet:
Bit 76543210
│││││││└─ Scroll Lock : 0=aus 1=an
││││││└── Num Lock : 0=aus 1=an
│││││└─── Caps Lock : 0=aus 1=an
└┴┴┴┴──── 0
0xEE Dieser Befehl ist zum testen der Tastatur. Die Tastatur sollte mit 0xEE antworten.
0xF0 Auswählen des Scancodes. Als Parameter den Scancode 1, 2(standard) oder 3 auf Port 0x60 senden.
Mit dem Wert 0 als Parameter kann man den aktuellen Scancode auslesen
0xF2 Diesen Befehl sendet man zum identifizieren der Tastatur. Es gibt folgende Rückgabewerte:
XT Tastatur : Timeout (leider NICHT Port[0x64].Bit[6]=1, sondern selbst zu messender Zweitwert)
AT Tastatur : Rückgabewert 0xFA
MF II Tastatur : Rückgabewert 0xFA 0xAB 0x41
0xF3 Setzen der Wiederholrate für gedrückte Tasten. Ein zweites Byte wird über Port 0x60 gesendet:
Bit 76543210
│││└┴┴┴┴─ Wiederholrate der Taste nach der Wartezeit
│││ Wert : Wiederholungen pro Sekunde
│││ 00000 : 30
│││ 00001 : 26,7
│││ 00010 : 24
│││ 00100 : 20
│││ 01000 : 15
│││ 01010 : 10
│││ 01101 : 9
│││ 10000 : 7,5
│││ 10100 : 5
│││ 11111 : 2
│││
│└┴────── Wartezeit bevor eine gehaltene Taste wiederholt wird.
│ 00 : 250 ms
│ 01 : 500 ms
│ 10 : 750 ms
│ 11 : 1000 ms
│
└──────── 0
0xF4 Aktivieren der Tastatur. Wenn ein Übertragungsfehler aufgetreten ist, muss
die Tastatur mit diesem Kommando neu aktiviert werden, der interne Puffer
wird dabei gelöscht.
0xF5 Tastatur deaktivieren und Standardwerte setzen. Der Puffer wird gelöscht,
die LEDs werden abgeschaltet, Wiederholrate und Wartezeit werden auf
Standardwerte zurückgesetz und die Tastatur wird deaktiviert (es werden
keine Tastenanschläge mehr übertragen)
0xF6 Standardwerte setzen
0xFE Wird nur intern vom Keyboardcontroller an die Tastatur gesendet. Ist nicht
für die Nutzung mit der CPU gedacht.
0xFF Tastatur-Reset und Selbst-test. Rückgabe 0xAA wenn Test erfolgreich, sonst
0xFC
Beispiele zur Benutzung der KBC Funktionen
Ein einfacher Tastatur Handler in Form eines Bootsektors
Dieses Beispiel zeigt, wie man die Tastatur im Realmode benutzen kann. Dabei wird bei jedem Tastendruck oder loslassen einer Taste der Scancode ausgegeben. Der Quellcode kann mit NASM oder FASM assembliert werden. Die erzeugte Datei auf den Bootsektor einer Diskette kopieren oder direkt mit einem Emulator benutzen.
use16 org 0x7C00 cli xor ax, ax push ax pop ds ;Standardmäßig ist der IRQ1 im Realmode auf dem Interrupt 9 gemapt mov word[ds:(9*4) ], keyboard_handler ;Offset mov word[ds:(9*4)+2], 0 ;Segment sti jmp $ keyboard_handler: pusha ;scancode lesen in al, 0x60 ;Hier kann man mit dem Scancode machen was man will :) call write_byte_as_hex mov al, '|' call bios.write_char ;dem PIC1 sagen, dass wir den IRQ verarbeitet haben mov al, 0x20 out 0x20, al popa iret ;Input: al = char bios.write_char: pusha mov ah, 0x0E int 0x10 popa ret hex_chars: db '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', 'A', 'B', 'C', 'D', 'E', 'F' ;Input: al = byte write_byte_as_hex: pusha and ax, 0xFF push ax mov bx, ax shr bx, 4 mov al, [hex_chars+bx] call bios.write_char pop bx and bx, 0xF mov al, [hex_chars+bx] call bios.write_char popa ret times 510-($-$$) db 0 dw 0xAA55
CPU-reset
Der CPU-Reset wird ausgelöst indem der Wert 0xFE in das Outputport geschrieben wird.
;Warten bis der Eingabepuffer leer ist wait1: in al, 0x64 test al, 00000010b jne wait1 ;Befehl 0xD1 zum schreiben des Inputports an den KBC senden mov al, 0xD1 out 0x64, al ;Wieder warten bis der Eingabepuffer leer ist wait2: in al, 0x64 test al, 00000010b jne wait2 ;Den neuen Wert für den Inputport über Port 0x60 senden mov al, 0xFE out 0x60, al
