キーボードコントローラ(以下、KBCと略)とは、キーボードとCPU間のデータのやり取りを制御する、ワンチップマイコンの事でIntel i8042などが有名です。しかし最近では、周辺チップの統合化が進みI/O Controller Hubなどのチップセットの一部として内蔵されているので、i8042単体で存在事は無くなってきています。
KBCの構成
キーボードコントローラ(以下、KBCと略)とは、キーボードとCPU間のデータのやり取りを制御する、ワンチップマイコンの事でIntel i8042などが有名です。しかし最近では、周辺チップの統合化が進みI/O Controller Hubなどのチップセットの一部として内蔵されているので、i8042単体で存在事は無くなってきています。
キーボードは、KBCに繋がっていて、この間の通信はシリアル通信(歩調同期)でやり取りが行われます。そして、キーボードが押されたとき、キーボード・KBC間では次のことが行われます。
コンピュータのキーボードは、キーを押した場合、キーの文字の文字コードが直接送られるわけではありません(例えば"0" Keyを押下した場合"0x20"が送られる訳ではない)。つまりスキャンコードは、キーボードのキーを物理的に識別するもので、そのキーの表す文字や機能のコードそのものでは無いと言うことです。
つまり、コントローラが受信したスキャンコードを、キー配列の設定や修飾キー・ロックキーなどの状態を参照して、該当する文字の入力として処理を行うのはOS側の仕事になります。
キーボードは、キーの押下あるいは解放を検出すると、そのキーに固有のスキャンコードをKBCに送ります。
同じキーのメイクとブレイクはMSB(スキャンコードの7bit)やプレフィクスコードによって区別されることが多く、オートリピートの処理をキーボード側で行う場合、キーが押されている間、メイクコードを周期的に発生させたりします。
スキャンコードはコンピュータの種類により異なり、またインターフェースによっても異なります。このためOSは、受け取ったコードをOS内部の共通コードに変換して扱っています。
例えばOpenBSDはPC/AT・PS/2用キーボードのスキャンコードマップとして wskbdmap_mfii.cを持っています。またUSB 用キーボードのスキャンコードマップ(PS/2とはコード体系が異なり、スキャンコードの名称もUsage IDと呼ばれる) ukbdmap.cを持っています。
KBCには、CPUとの通信を行うための8bitレジスタを持っています。 これらのレジスタはI/O port(0x60,0x64)にマップされていて、CPUはこのアドレスにread/writeすることにより、KBCとやり取りを行います。
また、キーボードの入力はランダムに来るので、KBCはキーボードからのデータを受信すると、割込みコントローラを介してCPUに対して割込み(IRQ 1)を発生させます。
| アドレス | size | R/W | 名称 | 説明 |
|---|---|---|---|---|
| 0x60 | byte | R | 出力 レジスタ |
KBCからのデータが出力されます。 ステータスレジスタのbit0が1の時に読込み可能。 |
| 0x60 | byte | W | 入力 レジスタ |
KCBにデータを入力します。 ステータスレジスタのbit1が1の時に書込み可能。 |
| 0x64 | byte | R | ステータス レジスタ | KBCのステータス情報 |
| 0x64 | byte | W | コマンド レジスタ | コマンドを書込み、どの様な制御を行うか指定します。 |
CPU側ではI/O ポートの64H番地を読む(inb命令)ことで、ステータス情報を得ることが出来ます。読んだステータスの値は下記のようになります。
| bit | 意味 | 値 |
|---|---|---|
| 0 | 出力 レジスタ ステータス |
0：出力バッファが空(キーボードからのデータが無い) 1：出力バッファにデータ有り(キーボードからのデータが有る) |
| 1 | 入力 レジスタ ステータス |
0：入力バッファが空(キーボードコントローラに送信可能) 1：入力バッファにデータ有り(キーボードコントローラに送信不可) |
| 2 | システムフラグ |
reset時0がセットされる self-test成功時1がセットされる |
| 3 | コマンド/データ |
0：最後にデータが入力バッファに書き込まれた。 1：最後にコマンドが入力バッファに書き込まれた。 |
| 4 | Keyboard lock |
0：Locked 1：Not Locked |
| 5 | 出力 buffer full |
0：Not Full 1：Full 出力バッファのデータが，次のデータに上書きされた場合に1になる |
| 6 | Timeout |
0：OK 1：キーボード・KCB間でデータ通信時にタイムアウトが発生した |
| 7 | Parity error |
0：OK 1：キーボード・KCB間でデータ通信時にパリティエラーが発生した |
コマンドレジスタには、コマンドを書込みどの様な制御を行うか指定します。
コマンドには、コマンドの後に1byte以上のデータが続くものと、コマンドの後ろにデータが無いものが存在します。コマンドの後ろにデータが無いものは、コマンドレジスタにコマンドを書き込んで制御が完了します。
下に示したのは、sysytem rebootを行うコードです。このコマンドは、後ろにデータが続かないのでこれで制御は完了します。
/* Try to use the KBD to reboot system */ movb $0xfe, %al /* コマンドをalレジスタにセット */ outb %al, $0x64 /* alレジスタの値をコマンドレジスタ(0x64 port)にセット */
コマンドの後に1byte以上のデータが続くものは、コマンドレジスタにコマンドを書き込んだ後に、入力(KCBに渡すデータ)・出力(KBCからのレスポンス) レジスタ(0x60 port)を使い,続くデータの読書きを行います。
下に示したのは、KCBの出力ポート(P2)の状態を読込むコードです。このコマンドの後ろにはデータが続くので、コマンドをコマンドレジスタ(0x64)に書いた後、レスポンス(出力ポート(P2)状態)を読込みます。
movb $0xd1, %al /* コマンドをalレジスタにセット */ outb %al, $0x64 /* alレジスタの値をコマンドレジスタ(0x64 port)にセット */ /* 実際は、この間にもう少し複雑な制御が入ります */ inb $0x60, $al /* レスポンスを入力レジスタから読込む */
各コマンドは下図になります。
| コマンド | データのI/Oとsize | コマンドの意味 | |
|---|---|---|---|
| R/W | width | ||
| 0x20 | R | 1byte |
コマンドバイトの内容を出力 レジスタ(port 0x60)から読み込む |
| 0x60 | W | 1byte |
コマンドバイトの内容を入力 レジスタ(port 0x60)に書込む。 |
| 0xA4 | R | 1byte |
パスワードがインストールされているかチェック 出力 レジスタ(port 0x60)の値
0xFA：パスワードがインストールされている
0xF1：パスワードがインストールされていない |
| 0xA5 | W | n byte |
パスワードを出力する(PS/2のみ)。 入力 レジスタ(port 0x60)にNULLを終端文字として書込む。この書込むパスワードのコードはscancodeである。 |
| 0xA6 | ? | ? | パスワード チェック パスワードがインストールされているなら、パスワードと入力キーが一致するかチェックする。 |
| 0xA7 | - | - |
マウスを無効にする(PS/2のみ) コマンドバイトをbit5=1にするのと同じ |
| 0xA8 | - | - |
マウスを有効にする(PS/2のみ) コマンドバイトをbit5=0にするのと同じ |
| 0xA9 | R | 1byte |
マウス テスト(PS/2のみ) 出力 レジスタ(port 0x60)の値
0：OK
1：Mouse clock line low 2：Mouse clock line high 3：Mouse data line low 4：Mouse data line high |
| 0xAA | R | 1byte |
自己テスト 出力 レジスタ(port 0x60)の値
0x55：OK
0xfc：NG |
| 0xAB | R | 1byte |
キーボード テスト 出力 レジスタ(port 0x60)の値
0：OK
1：keyboard clock line low 2：keyboard clock line high 3：keyboard data line low 4：keyboard data line high |
| 0xAC | R | 16byte | 自己診断(Diagnostic) |
| 0xAD | - | - |
キーボードを無効にする。 コマンドバイトをbit=1するのと同じ。 |
| 0xAE | - | - |
キーボードを有効にする。 コマンドバイトをbit=1するのと同じ。 |
| 0xC0 | R | 1byte |
input port (P1)の読出し 出力 レジスタ(port 0x60)の値
bit7：キーボードLock (0=Not Lock，1=Lock)
bit6：Display (0=カラー，1=モノクロ) bit5：ジャンパ (0:installed, 1:not installed) bit4：システムボードのRAM(0:512 KB, 1:256 KB ) bit3-0：未定義 |
| 0xC1 | - | - | input port (P1)のbit0-3をステータスレジスタにコピーする |
| 0xC2 | - | - | input port (P1)のbit4-7をステータスレジスタにコピーする |
| 0xD0 | - | - |
output port(P2)の読出し 出力 レジスタ(port 0x60)の値
bit7：キーボードのデータ信号線
bit6：キーボードのクロック信号線 bit5：input buffer empty bit4：output buffer full bit3：Mouse clock bit2：Mouse data bit1：ゲートA20信号線(0:close,1:open) bit0：システムリセット(0:reset CPU, 1:normal) |
| 0xD1 | W | 1byte |
output port(P2)への書出し 入力 レジスタ(port 0x60)へ書込んだ値がoutput port(P2)へ出力される 内容は0xD0と同じ
bit7：キーボードのデータ信号線
bit6：キーボードのクロック信号線 bit5：input buffer empty bit4：output buffer full bit3：Mouse clock bit2：Mouse data bit1：ゲートA20信号線(0:close,1:open) bit0：システムリセット(0:reset CPU, 1:normal) |
| 0xD2 | W | 1byte |
キーボードデータを入力レジスタに書込む(PS/2) 入力 レジスタ(port 0x60)へ書込んだ値がループバックされる(らしい) |
| 0xD3 | W | 1byte |
Mouse データを入力レジスタに書込む(PS/2) 入力 レジスタ(port 0x60)へ書込んだ値がループバックされる(らしい) |
| 0xD4 | W | 1byte |
Mouse側に値を出力(PS/2のみ) 入力 レジスタ(port 0x60)へ書込んだ値が、Mouse deviceに送られる。 |
| 0xDD | W | 1byte | disable A20 |
| 0xDF | W | 1byte | enable A20 |
| 0xE0 | W | 1byte |
Test port(T)の読出し 出力 レジスタ(port 0x60)の値
bit1：Keyboard data
bit0：Keyboard clock |
| 0xF* | - | - |
output port(P2)のクロックをパルスする。 入力 レジスタ(port 0x60)へ書込んだ値のbit0-3が出力ポートにパルスされる。bit0=0の時はSystem Resetされる。 |
コマンド0x20と0x60で読書きするコマンドバイトの内容は、次のようになります。
| bit | 意味 | 値 |
|---|---|---|
| 0 | キーボード割込み |
0：IRQ 1を発生 1：IRQ 1を発生させない |
| 1 | PS/2 Mouseの割込み |
0：IRQ 12を発生 1：IRQ 12を発生させない |
| 2 | システム フラグ |
0：cold reboot 1：hot reboot |
| 3 | キーボードロックの制御 |
0：キーボード ロック キーの制御を有効 1：キーボード ロック キーの制御を無効 PS2の場合常に0 |
| 4 | キーボード |
0：有効 1：無効 CLK Lineが常にLなる |
| 5 | PS/2 Mouse |
0：有効 1：無効 CLK Lineが常にLなる |
| 6 | Scan Code変換 |
KBC type #1の時
0：変換しない
KBC type #2の時1：Scan Code2をScan Code1に変換
常に0
|
| 7 | reserved | 常に0 |
入力レジスタ(port 0x60)に下記のコマンドを書く事により、キーボードに下記のキーボードコマンドを送信することができます。
コマンドの後にデータが有る場合は、続けて入力レジスタ(port 0x60)にそのデータを書込みます。また、キーボードからのレスポンスがある場合は、出力レジスタ(port 0x60)から読出します。
| コマンド | データのI/Oとsize | コマンドの意味 | |
|---|---|---|---|
| R/W | width | ||
| 0xED | W | 1byte |
LEDを点灯させる． データの内容
bit0 : Scroll Lock(1=点灯，0=消灯)
bit1 : Num Lock(1=点灯，0=消灯) bit2 : Caps Lock(1=点灯，0=消灯) bit3-7 : 0固定 |
| 0xEE | R | 1byte | Diagnostic Echo |
| 0xF0 | R/W | 1/2byte |
他のスキャンコードを選択する(PS/2のみ)．
データの内容
0x00: 現在のスキャンコードを取得
(このデータセット後、出力バッファをリード) 0x01: スキャンコード#1を選択(デフォルト) 0x02: スキャンコード#2を選択 0x03: スキャンコード#3を選択 |
| 0xF2 | R | 3byte |
キーボードIDの読込み(PS/2のみ) 出力レジスタ(0x60)にACK (FAh)と2byteのキーボードIDが入る。 |
| 0xF3 | W | 1byte |
オートリピートのrate/delay データの内容
bit0-4:rate
bit5-6:delay bit7:0固定 |
| 0xF4 | - | - | キーボードのイネーブルと出力バッファのクリア |
| 0xF5 | - | - | キーボードをリセットし、スキャンを開始しない。 |
| 0xF6 | - | - | キーボードをリセットし、スキャンを開始する。 |
| 0xF7 | - | - | 全てののキーをオートリピートに設定(PS/2) |
| 0xF8 | - | - | 全てのキーがMAKE/BREAKコードを生成するように設定(PS/2) |
| 0xF9 | - | - | 全てのキーがMAKEコードのみを生成するように設定(PS/2) |
| 0xFA | - | - | 全てのキーがMAKE/BREAKコードを生成し，かつオートリピートに設定(PS/2) |
| 0xFB | W | 1byte | 指定したスキャンコードをオートリピートに設定(PS/2のみ) |
| 0xFC | W | 1byte | 指定したスキャンコードがMAKE/BREAKコードを生成するように設定(PS/2) |
| 0xFD | W | 1byte | 指定したスキャンコードがBREAKコードのみを生成するように設定(PS/2) |
| 0xFE | - | - | 再送 |
| 0xFF | R? | 1byte? | Resetし自己診断を走らせる。自己診断結果が返る。 |