Zeichen- und Tastaturcodes
Für die Tastaturabfrage sind mehrere verschiedene Codes von Bedeutung:
ASCII Code
Der "American Standard Code for Information Interchange" ist eine in der Computerwelt sehr weit verbreitete Zuordnungstabelle für die Darstellung von Buchstaben, Ziffern und Sonderzeichen. Ursprünglich waren pro Zeichen 7 Bits vorgesehen, mittlerweile haben sich 8 Bits, also ein Byte durchgesetzt. Die folgende Tabelle zeigt einen kleinen Ausschnitt aus der ASCII-Tabelle:
| Zeichen | ASCII-Code |
|---|---|
| ( | 40 |
| 0 | 48 |
| 1 | 49 |
| 2 | 50 |
| A | 65 |
| B | 66 |
| a | 97 |
| ... | |
Zeichen und Zeichenketten werden üblicherweise im ASCII Code abgespeichert.
Scancode
Mit dem Scancode werden den Tasten der PC Tastatur eindeutige Nummern zugeordnet. Damit ist es auch möglich, Tasten, wie die Cursortasten, denen kein druckbares Zeichen entspricht, zu identifizieren. Bei Scancodes wird nicht zwischen Groß- und Kleinbuchstaben unterschieden, da beide mit derselben Taste erreicht werden.
| Taste | Scancode |
|---|---|
| A | 30 |
| S | 31 |
| D | 32 |
| Cursor hoch | 72 |
| Cursor runter | 80 |
| ... | |
Im Laufe der PC Entwicklungsgeschichte wurden unterschiedliche Tastaturen mit einer unterschiedlichen Anzahl und Bedeutung von Tasten herausgebracht. Gerade bei den Funktions- und Spezialtasten gibt es daher auch unterschiedliche Scancodes. Da PC Tastaturen nur wenig mehr als 100 Tasten besitzen, genügen 7 Bits, um den Scancode darzustellen.
Make- und Breakcodes
Programme müssen nicht nur feststellen können, welche der "normalen" Tasten gedrückt wurden, sondern auch, ob gleichzeitig die Shift (Umschalt)-Taste, die Control (Steuerungs)-Taste oder die ALT-Taste festgehalten wurden. Daher sendet die Tastatur statt eines einfachen Scancodes einen oder mehrere sogenannte Makecodes für jedes Drücken und einen oder mehrere Breakcodes für jedes Loslassen einer Taste. Wenn eine Taste länger als eine bestimmte Zeitspanne festgehalten wird, werden darüberhinaus zusätzliche Makecodes gesendet, durch die die Wiederholungsfunktion realisiert wird. Bei den meisten Tasten entspricht der Makecode dem Scancode und der Breakcode dem Scancode mit gesetztem 7. Bit. Einige Tasten erzeugen jedoch aus historischen Gründen schon beim einmaligen Drücken und Loslassen mehrere Make- und Breakcodes. Der Tastaturtreiber (in der 3. Aufgabe des Übungssystems Keyboard::prologue()) muss aus den Make- und Breakcodes der gedrückten Tasten die gewünschten Zeichen ermitteln.
Anmerkung: Da die Interpretation der Make- und Breakcodes ziemlich mühsam, langweilig und wenig lehrreich ist, haben wir euch die Dekodierung abgenommen. Es kann allerdings sein, dass diese Funktion bei eurer Tastatur nicht alle Zeichen, insbesondere die deutschen Umlaute korrekt erkennt. In diesem Fall müsst ihr entweder mit ein paar falschen Zeichen leben oder die Tabellen der Dekodierfunktion entsprechend anpassen.
Ablauf beim Drücken einer Taste
Wenn bei einer PC Tastatur eine Taste gedrückt wird, werden zwei sich kreuzende Leitungen der Scan-Matrix innerhalb der Tastatur verbunden. Der Tastaturprozessor (8042 für PC/XT-, 8048 für AT und MF II-Tastaturen) ermittelt die Position der gedrückten Taste und daraus den Scancode. Über eine serielle Schnittstelle wird der Code zum Motherboard des PCs gesendet.
Auf dem Motherboard des PCs befindet sich ein Tastaturcontroller, der auf der einen Seite mit der Tastatur über einen Eingabeport und einen Ausgabeport (Kommandos an die Tastatur) kommuniziert. Auf der anderen Seite hat der Controller Register, die mit Hilfe von in- und out-Befehlen über den Systembus gelesen und beschrieben werden können.
| Port | lesen(R), schreiben(W) | Register | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| 0x60 | R | Ausgabepuffer | Make/Breakcode von der Tastatur |
| 0x60 | W | Eingabepuffer | Befehle für den Tastaturprozessor (z.B. LEDs setzen) |
| 0x64 | W | Steuerregister | Befehle für den Tastaturcontroller (von uns nicht verwendet) |
| 0x64 | R | Statusregister | Zustand des Tastaturcontrollers (z.B. Ausgabepuffer voll?) |
Immer wenn ein Byte vom Tastaturcontroller in seinen Ausgabepuffer geschrieben wird, signalisiert er das durch Setzen einer Interruptanforderung. Der Prozessor muss darauf reagieren, indem er das angekommene Byte aus dem Ausgabepuffer ausliest. Im Statusregister wird dann vermerkt, daß der Ausgabepuffer wieder leer ist. Erst jetzt können neue Zeichen von der Tastatur entgegengenommen werden. Wenn die Tastatur im Pollingbetrieb benutzt wird, kann durch Bit 0 (outb) überprüft werden, ob sich tatsächlich Zeichen im Ausgabepuffer des Tastaturcontrollers befinden. In die Gegenrichtung muss immer gewartet werden, bis der Eingabepuffer des Tastaturcontrollers leer ist (== Bit 1, inpb, den Wert 0 hat), bevor ein neuer Befehlscode geschrieben wird.
Bei PS/2 PCs ist die Maus ebenfalls an den Tastaturcontroller angeschlossen. Dadurch landen im Ausgabepuffer sowohl Codes von der Tastatur als auch von der Maus. Damit die Quelle des Bytes unterschieden werden, steht im Statusregister das Bit 5 (AUXB) zur Verfügung (1 = Maus, 0 = Tastatur).
| Bit | Maske | Name | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| 0 | 0x01 | outb | Gesetzt, wenn ein Zeichen im Ausgabepuffer des Tastaturcontrollers zum Lesen bereit steht |
| 1 | 0x02 | inpb | Gesetzt, solange der Tastaturcontroller ein von der CPU geschriebenes Zeichen noch nicht abgeholt hat |
| 5 | 0x20 | auxb | Gesetzt, wenn der Wert im Ausgabepuffer von der Maus und nicht von der Tastatur stammt |
Tastaturprozessor programmieren
Der Tastaturprozessor kann durch das Schicken von Befehlscodes an den Eingabepuffer konfiguriert werden. Dazu wird der Befehlscode (siehe Tabelle) an den Datenport geschrieben. Eigentlich sollte man danach darauf warten, bis die Tastatur geantwortet hat und der Ausgabepuffer das Bestätigungsbyte 0xfa (ACK) enthält. Allerdings ist es schwierig eine wirklich standardkonforme Implementierung zu erreichen. Inbesondere ist das korrekte Warten auf ein ACK schwierig, da nachfolgende Tastendrücke das ACK Zeichen aus dem Ausgabepuffer des Tastaturcontrollers verdrängen können. Wir werden von den etwa 20 Befehlen, die eine PS/2-Tastatur versteht, nur zwei verwenden:
| Befehlscode | Name | Beschreibung |
|---|---|---|
| 0xed | set_led | Ein-/Ausschalten der Tastatur-LEDs. Nach dem bestätigten Befehlscode muss ein weiteres Byte an den Datenport geschrieben werden, das den Zustand der LEDs steuert. Der Aufbau ist in einer eigenen Tabelle beschrieben. |
| 0xf3 | set_speed | Wiederholungsrate und Verzögerung setzen durch ein zweites Byte, das nach dem Befehlsbyte folgt. Der Aufbau ist in einer eigenen Tabelle beschrieben. |
Die folgende Tabelle zeigt den Aufbau des Steuerbytes von set_led zum setzen der Tastatur-LEDs. MSB bedeutet hierbei most significant bit (entspricht also 0x80 in Hexadezimal-Darstellung) und LSB least significant bit (also 0x01).
| MSB | LSB | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Always 0 | Always 0 | Always 0 | Always 0 | Always 0 | Caps Lock | Num Lock | Scroll Lock |
Der Aufbau des Konfigurationsbyte von set_speed ist in diesen zwei Tabellen beschrieben. Die Wiederholungsrate wird durch die Bits 0-4 spezifiziert, die Verzögerung durch Bit 5 und 6. Für die Wiederholrate gilt: je höher der Wert desto geringer die Wiederholrate. Eine vollständige Tabelle dieser Abbildung befindet sich im weiter unten verlinkten Dokument zur PS/2-Schnittstelle. Die Zuordnung der Verzögerung ist wie folgt:
| Bits 0-4 (hex) | Wiederholungsrate (Zeichen pro Sekunde) |
|---|---|
| 0x00 | 30 |
| 0x02 | 25 |
| 0x04 | 20 |
| 0x08 | 15 |
| 0x0c | 10 |
| 0x10 | 7 |
| 0x14 | 5 |
| Bits 5 und 6 (hex) | Verzögerung (in Sekunden) |
|---|---|
| 0x00 | 0.25 |
| 0x01 | 0.5 |
| 0x02 | 0.75 |
| 0x03 | 1.0 |
Der Empfang des Konfigurationsbytes wird vom Tastaturcontroller ebenfalls mit einem ACK-Byte quittiert.
Weiterführende Informationen und Referenzen
- Messmer, Hans Peter: PC-Hardwarebuch - Aufbau, Funktionsweise, Programmierung. Addison-Wesley 1994
- The AT keyboard controller
- The PS/2 keyboard interface
