筆記本電腦的鍵盤學習教程

筆記本電腦的內置鍵盤是不可缺少的輸入設備，它經歷了二十幾年的迭代才形成如今的設計標準（Key Layout、Connector、Protocol、ScanCode...）。

在鍵盤的發展歷程中，出現了很多標準，有一些標準至今仍被使用。有興趣可以查閱 鍵盤的發展。接下來就詳細了解下筆記本電腦的鍵盤。

01—Scan Code

電腦鍵盤一般有 80-120 個按鍵，因此采用矩陣設計可以減少GPIO 的使用。

如下示意圖，MCU 控制 “A/B/C/D” 都保持低電平，然后挨個輸出高電平，每次輸出高電平的同時采集“1/2/3/4” 電平。此過程稱之為 “鍵盤掃描”。

如果 C-3 按鍵按下，當 MCU 在 “C” 列輸出高電平時，在 “3” 行可檢測到高電平。如此 MCU 即可判斷出哪個按鍵被按下了。

MCU 判斷出哪個按鍵被按下，需要以數據的形式傳遞給 Host 使用。因此需要給每一個按鍵安排一個編碼，這個編碼就是 ScanCode，即 “掃描碼”。

這個 MCU 負責掃描矩陣，稱之為 KSC（Keyboard Scan Controller）。使用最為廣泛的型號是 Intel 8048。

鍵盤的發展歷程中，一共出現過 3 套 ScanCode。

Scan Code Set-1

1983年隨 IBM Personal Computer XT（XT：eXtended Technology，Type：5160） 一起發布的 XT Keyboard 就使用的是此套掃描碼。當時配套的操作系統可以直接識別此套掃描碼。如今的 Windows、Linux 系統都在沿用。

ScanCode Set-2

1984年隨 IBM Personal Computer AT（AT：Advanced Technology，Type：5170）一起發布的 AT Keyboard 就是使用的是此套掃描碼。但是操作系統并沒有兼容識別此套掃描碼，而是在主板上增加了一個 MCU 把 Set-2 翻譯成 Set-1，然后再發送給系統。當然也有操作系統也可以識別 Set-2，但并不是主流。

新增的 MCU 稱之為 KBC（Keyboard Controller），使用最為廣泛的型號是 Intel 8042，因此 i8042 也用來代指 Keyboard Controller。

ScanCode Set-3

1986年，IBM 重新設計了鍵盤布局，在美國市場上推出了 MF2 Keyboard，有 101個按鍵。

MF2 Keyboard 設計上增加了邏輯更為合理的 ScanCode Set-3，由 i8042 翻譯成 ScanCode Set-1 傳遞給 CPU。此套掃描碼并未流行。

最后流行的 PS/2 鍵盤，采用的仍舊是 ScanCode Set-2。

02—Key Number

在 MF2 鍵盤出現后，鍵盤 Layout 基本即保持一致了，但是按鍵的絲印卻是千變萬化，不同絲印的鍵盤是為了滿足不同語種的需求。

鍵盤設計中，一個按鍵會規定一個 ScanCode。系統端根據接收的 ScanCode 就知道是哪個按鍵觸發了。同樣是按鍵 “Q” 觸發，系統端最終識別的字符可不一定是字符 “Q”，這是要根據系統語言判斷的。

鍵盤語種不同，絲印就不同。因此每個按鍵還規定了一個 Key Number，以便區分按鍵。

一般鍵盤制造商生產的矩陣鍵盤，會配套一份設計圖紙，會指明按鍵在矩陣中的位置，此時使用的就是 KeyNumber。

KSC 掃描這個矩陣，根據掃描結果，識別出觸發按鍵在矩陣的位置，

先找到 KeyNumber，從而查找出 ScanCode。

03—Keyboard Protocol

XT Keyboard 和 AT Keyboard 的設計中，同 PCH 通訊的規范已經不再使用，因此此處只針對 PS/2 Keyboard 做描述。

PS/2 Keyboard 設計中，采用 KSC （Keyboard Scan Controller） 掃描鍵盤矩陣，按鍵觸發后會編碼出 ScanCode Set-2 發送。其中 KSC 是一個位于鍵盤內部的 MCU，以 Intel 8048 最為典型。KSC 和 KBC 之間通過 PS/2 協議通訊，完成KeyCode、Command 的傳遞。

PS/2 鍵盤結構

在 x86 CPU 系統中，有一個獨立的 IO 尋址空間，大小 64K。隨著計算機的發展，默認 60/64 兩個 IO 地址被用作 PCH 和 KBC（i8042） 交換數據。

有以上兩個通訊的支持， PS/2 Keyboard 外接在電腦 PS/2 接口上后就可以工作了。

設計框圖如下

KBC 寄存器

i8042 作為一個 KBC 使用 IO 60、64 和 PCH 傳遞數據。

IO 60/64 分別定義為數據寄存器和狀態寄存器。

針對 Status Register，在 Intel 8042 DataSheet 中定義如下。

BIT0：指示 KBC 是否在 Output Data Register 寫入了數據。

BIT1：指示 CPU 是否在 Input Data Register 寫入了數據。

BIT2：指示 CPU 是否讀取了 Output Register。

BIT3：指示 CPU 寫了 60H 還是 64H。

BIT4-7：用戶自定義。

不同廠家在后續的 KBC 設計中，增加了一些自定義狀態。

如下圖所示，KBC 中增加了針對 PS/2 通訊狀態的一些定義。

如上圖，Host 端的 Keyboard Driver 利用 IO 60/64 和 KBC通訊。

KBC 內部有兩個數據寄存器，Input and Output Data Register。

一個狀態寄存器，Status Register。

KB Driver 寫 60H 或者 64H，都對應 KBC 內部 Input Register，KBC 內部的 Status Register BIT3 會做出區分。

KB Driver 寫 60H，KBC 認為是 Data。

KB Driver 寫 64H，KBC 認為是自己的 Command。

KB Driver 讀 60H，KBC 返回 Output Register 內容，主要是 ScanCode。

KB Driver 讀 64H，KBC 返回 Status Register 內容，指示 Keyboard 狀態。

04—Keyboard Command

KBC 和 KSC 作為 MCU，分別設計了一組命令。Keyboard Driver 可以發送這些命令，從而控制 KBC 和 KSC 的一些行為。

05—EC Keyboard

在上世紀的個人電腦設計中，PS/2 鍵盤屬于一個外接設備。PS/2 鍵盤通過 PS/2 接口和主板上 KBC 通訊。KBC 在 PCH 和鍵盤中間作為一個 SuperIO 設備，管理 PS/2 鍵盤。

隨著個人電腦的不斷發展，逐漸演變出便攜式電腦，即筆記本電腦。鍵盤作為筆記本電腦的標配輸入設備，也遵守了 PS/2 鍵盤系統的大部分標準，并且沿用至今。

在如今的筆記本電腦設計中，不再有獨立的 KSC（i8048，鍵盤掃描器）和 KBC（i8042，鍵盤控制器），因此也不再有 PS/2 接口和 PS/2 協議存在。

KSC 和 KBC 的功能全部集成在一個專用 MCU 中，即集成在 EC 中。

EC 作為一個專用 MCU，設計有 8*18 的鍵盤掃描模塊，實現矩陣鍵盤的掃描。EC 也設計有 LPC 總線，和 PCH 實現 IO 6064 通訊。因此在 EC 固件中即可實現 KBC 功能。

EC 這顆專用 MCU 集成了原先 KBC 的功能，因此 EC 也會叫 KBC。

如今筆記本電腦中，EC 鍵盤系統設計框圖如下：

06—Keyboard Init

EC 鍵盤的實際工作原理和 PS/2 鍵盤基本一致，其中的 KBC 需要被 Host 端 Driver 初始化后，才能正常工作。

KBC 由 EC 固件實現，因此上述 KBC、KSC 相關的指令必須由 EC 固件實現，并且返回正確的值，否則 OS 端 KB Driver 初始化無法完成，會導致Windows 系統下設備管理器中 PS/2 設備出現黃色感嘆號，鍵盤無法使用。

UEFI 環境下，KBC 初始化。

EC 固件實現了 KBC 邏輯后，添加必要的 log后，當 UEFI 環境啟動后會對 KBC 初始化。EC 端 log 如下圖：

上圖是在 EC 中記錄了進入 UEFI Shell 環境時的鍵盤初始化序列。

上述初始化過程在如下文件中可以找到：

UDK2018/IntelFrameworkModulePkg/Bus/Isa/Ps2KeyboardDxe/Ps2KbdCtrller.c

OS 環境下，KBC 初始化。

Windows 或者 Linux 系統在加載過程中，BIOS 聲明了 PS/2 鍵盤設備后，OS 內置的 PS/2 Keyboard Driver 就會加載，完成 EC 內 KBC 和 KSC 的初始化，以及配置。當然 Windows Inbox PS/2 Driver 看不到源碼，感興趣的話可以看看 Linux PS/2 Driver 的源碼。

需要注意的是，UEFI 和 OS 下 KBC 初始化流程基本一致。

差異點是，UEFI 環境下 CPU 不響應 SERIRQ 中的 IRQ-1，靠輪詢的方式工作。OS下 CPU 需要響應 IRQ-1，當有鍵盤中斷觸發后，Driver 才會被回調，處理 IO 60/64 的數據。