PS/2キーボードインターフェース

各国キーボードとスキャンコード

Windowsは世界中で使用されているため、非常に多くの国のキーボードがあります。
Windowsパソコンでは、キーボードの各キーにスキャンコードと呼ばれる固有のIDをもっています。
キーコードは、キートップ表面に印刷された文字ではなく、キースイッチの位置に対して割り付けられています。
"A"と書かれたキートップのキーを押した場合でも、キーボードは"A"のコードを発行しているわけではありません。

キーボードは、キーを押した際、離した際にキーコードをパソコンへ送ります。
国やキーボードの種類によって、キー配置が異なります。
キーボードにはいくつかのモデルがありますが、スイッチ数と形状が同じであれば、キートップの印刷内容は異なっても、同じ位置のキースイッチは同じスキャンコードを持っています。
パソコンでは、キーボードから受け取ったスキャンコードからキー入力を組み立て、キーコードを作成します。
Windowsに設定された国コード及びキーボードタイプにより、どのスキャンコード（どこの位置のキー）を受け取った際に、どの文字（仮想キーコード）に変換するか決められています。
その為、その変換テーブルを切り替えることで各国のキーボードになることができます。
この作業はWindowsのキーボードドライバーが行っています。（DOS時代はBIOSが行っていました）

通常は、内部データであるスキャンコードを意識する必要は全くないのですが、特殊なアプリケーションを開発する場合、スキャンコードを調べる必要になる事があります。

具体的には、

• テンキーから入力を判別したい場合。
• シフトキーなど左右どちらが押されたか判別したい場合。

その他、キーボードの状態を直接サンプルすることでゲームなど特殊なアプリケーションを開発することができます。

キーボードインターフェースハードウェア

パソコンマザーボード上にはキーボードと通信を行う１ChipCPU(PC-ATの場合8042)が存在します。
このCPUはキーボードコントローラと呼ばれ、パソコンから見た場合、１つのインテリジェントI/Oとして動作します。

キーボードのキーが押された場合、キースキャンコードをパソコンへシリアル信号として送信します。
通信はクロックとデータが分離した2種類の信号線を用います。
データ信号線、クロック信号線ともに10kΩ(PC-ATの場合)で+5Vにプルアップされ、パソコン側、キーボード側両側からオープンコレクタのドライバ7407(PC-ATの場合)で駆動され ています。
2本の信号線の信号をドライブするタイミングにより、1組の信号ラインを用いて双方向の通信を行います。
通信が行われていない場合、両信号線とも"High"レベル（両側ともドライブしていない状態）です。

WindowsのキーボードはMini-DIN6Pinのコネクタで接続されています。
以前はDIN5Pinでしたが、現在は全てMini-DIN6Pinのコネクタとなっています。

ＤＩＮ（5Ｐｉｎ）	Ｍｉｎｉ−ＤＩＮ（６Ｐｉｎ）		信号
2	1	Keyboard	KB Data
	2
4	3	PWR	GND
5	4	PWR	+5V
1	5	Keyboard	KB Clock
	6

キーボード信号の流れ

キースイッチが押された場合、キーボードはMake(キースキャン)コードをパソコンへ送ります。
離された場合、Breakコードをパソコンへ送ります。
キーを押されたときと離したときで異なった情報を送ることで、どのキーが押されているのかをパソコンへ知らせます。

押した際はMakeコードを発行し、離さされた時点でBreakコードを発行します。
そのままキースイッチが押し続けられた場合、Makeコードのみが連続して発行されます。
下記にEnterキーを押した際の実測波形を示します。

KB Data(上段)
KB Clock(下段)
	EnterキーのMakeコード	EnterキーのBreakコード
KB Data(上段)
KB Clock(下段)
	EnterキーのMakeコードの拡大１	EnterキーのMakeコードの拡大2

※測定用にかなり長い延長ケーブルをつけているため、大きなアンダーシュートが発生していますが、気にしないでください。(**;)

キーボードシリアルデータ構成

1つのデータは11ビットで構成されています。

流れ ビットストリーム 信号 開始 1 Start Bit ”HIGH" 　 2 D0(LSB) 　 3 D1 　 4 D2 　 5 D3 　 6 D4 　 7 D5 　 8 D6 　終了 9 D7(MSB) Mode1の信号の流れ

流れ ビットストリーム 信号 開始 1 Start Bit ”LOW" 　 2 D0(LSB) 　 3 D1 　 4 D2 　 5 D3 　 6 D4 　 7 D5 　 8 D6 　 9 D7(MSB) 　 10 Parity(ODD) 終了 11 Stop Bit "HIGH" 通常の信号の流れ

キーボードデータを取得する際、KBクロックの立下りでKBデータをフェッチします。
上記拡大２のスコープ写真でEnterキーのMakeコードを読んでみると、"00101101011"となり、通信中のMakeコードが01011010（5Ah）であることがわかります。5AhはEnterキーの位置のキーである事がわかります。

　

キーボードとの通信

MS-DOSの時代ですとキーボードコントローラをBIOSやI/O制御することで、キーボードと通信ができました。
Windows下ではBIOSではなくWindowsが直接I/Oを管理しているため、アプリケーションからキーボードとの直接の通信はできなくなりました。

参考までに、PC-AT時代のキーボードとキーボードコントローラの通信コマンドを掲載します。

通信制御

パソコンがキーボードデータを受け取れない場合

    パソコンがクロック線を"L"にします。
    （その際、データ線は"H"でも"L"でもよい。）

パソコンがキーボードへデータを送る場合

    クロック線が"H"の状態で、データ線を"L"にします。

キーボードデータをパソコンへ送る場合

    上記要求がない場合、データビットを出力した後、キーボードがクロック線を"L"にします。

パソコンがキーボードへ発行するコマンドコード

コマンド	コード(HEX)	内容	応答
Set/Reset Mode Indicator	ED	キーボードのLEDの点灯/消灯要求。これに続くオプションバイトでLEDを指定する。 2Byte目 指定LED Bit2 Caps Lock LED Bit1 Numeric Lock LED Bit0 Scroll Lock LED	ACK
Echo	EE	キーボードが接続されている場合、キーボードはパソコンへ応答（ECHO Responce）を返す。	ECHO
NOP	EF-F2, F7-FD
Set Typematic Rate/Delay	F3	ディレィの設定 Bit6 Bit5 ディレィ 0 0 250mS 0 1 500mS 1 0 750mS 1 1 1000mS リピートレートの設定 Rate=1 / ((8 + (bit2:0) ) * (2 ** (bit4:3)) * 0.00417 )  MakeCode/Sec Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 Rate 0 0 0 0 0 30.0 0 0 0 0 1 26.7 0 0 0 1 0 24.0 0 0 0 1 1 21.8 0 0 1 0 0 20.0 0 0 1 0 1 18.5 0 0 1 1 0 17.1 0 0 1 1 1 16.0 0 1 0 0 0 15.0 0 1 0 0 1 13.3 0 1 0 1 0 12.0 0 1 0 1 1 10.9 0 1 1 0 0 10.0 0 1 1 0 1  9.2 0 1 1 1 0  8.6 0 1 1 1 1  8.0 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 Rate 1 0 0 0 0 7.5 1 0 0 0 1 6.7 1 0 0 1 0 6.0 1 0 0 1 1 5.5 1 0 1 0 0 5.0 1 0 1 0 1 4.6 1 0 1 1 0 4.3 1 0 1 1 1 4.0 1 1 0 0 0 3.7 1 1 0 0 1 3.3 1 1 0 1 0 3.0 1 1 0 1 1 2.7 1 1 1 0 0 2.5 1 1 1 0 1 2.3 1 1 1 1 0 2.1 1 1 1 1 1 2.0 Default Rate=10Char/Sec, Delay=500mS	ACK
Enable	F4	キースキャンを開始する	ACK
Default Disable	F5	起動時の状態へ戻し、キースキャンを停止する
Set Default	F6	起動時の状態へ戻す	ACK
Resend	FE	再送要求	DATA
Reset	FF	キーボードリセットコマンド。正しく受け取った場合ACKを返す。その後キーボードはセルフテストを実行する。	ACK

　

キーボードがパソコンへ発行するコマンドコード

キースキャンコード以外にもキーボードから発行されるコマンドがあります。
システムバージョン等によって異なるようですが、PC-ATシステムでのキーボードコマンドコードの一覧を示します。

参考文献：

• Technical Reference(Personal Computer Hardware Reference Library / IBM)
• PS/55ハードウェア  ハードウェア・インターフェース技術解説書(オーム社)

参考技術情報

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• シリアル関連　参考情報
• タッチパネル関連　参考情報
• キーボードインターフェース [PS/2]関連　参考情報
• PC 画面設計関連　参考情報
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Last Update : 2011/09/09