目　　次

■概要
　　●送出コマンド（ホスト⇒マウス）
　　●マウスからの応答メッセージ（マウス⇒ホスト）
　　●ストリーミング・モード開始後の受信データ（マウス⇒ホスト）
■インターフェース回路の構成
　　●インターフェース回路
　　●プラグ／ジャック仕様
■信号のタイミング規定と送受信シーケンス
　　●マウスからのデータの受信タイミング
　　●マウスからのデータの受信シーケンス
　　●ホストからのコマンド送出タイミング
　　●ホストからマウスへのコマンド送出シーケンス
■プログラム解説
　　●ポート入出力用マクロ
　　●コマンド送出プログラム（put_mouse関数 .. 11〜50行目）
　　●データ受信プログラム（get_mouse1関数 .. 52〜94行目）
　　●ストリーミング・モード・データ受信プログラム（get_mouse3関数 .. 96〜114行目）
　　●マウスの初期化プログラム（init_PS2関数 .. 116〜125行目）
　　●ストリーミング・モード開始コマンド送出プログラム（start_PS2関数 .. 127〜134行目）
　　●メイン・プログラムの流れ
■応用に当たっての諸注意
　　●スクロール用ホィール付きマウスの場合
　　●２ポート（ホスト・マイコン側）による接続
　　●マイコンのクロック速度
■ＡＶＲマイコンによる実装例
　　●回路構成
　　●ソフトウェア１ ... ３ボタン・マウス用
　　●ソフトウェア２ ... ホィール・マウス用
■最後に

◆参考文献／ＵＲＬ
　　(1)PS/2 technical reference manual October 1990 IBM Corp.
　　(2)http://www.mcamafia.de/pdf/pdfref.htm
　　(3)http://www.mcamafia.de/pdf/ibm_hitrc07.pdf
　　(4)http://www.computer-engineering.org/ps2mouse/
　　(5)特集*ＰＣインターフェースの研究　第１章　キーボード＆マウス・ポートの構造
　　　　吉田功　トランジスタ技術　Oct. 1995

■概要
　マウスはコンピュータの入力機器として欠かせないものですが，マイコン応用システムにおいても２次元座標情報の入力として利用することができます．レーバー式のスイッチ操作と異なり，移動方向と移動速度の情報が入力できますので，マウスの操作速度により対象の速度を制御することが可能となります．このような対象としてゲームの入力機器やロボットの操作用の入力機器といった応用が考えられます．また，子供や高齢者，身障者が利用する装置のための「大まかな操作のための入力機器」としての応用も考えられます．

　ここではPS/2マウスのためのインターフェース回路と制御ソフトウェアを解説します．最近のパソコンでは，USBマウスが主流になってきていますが，専用デバイスを使用したり制御が複雑なことが難点と言えます．これに対してPS/2マウスの場合は，インターフェース回路はいたってシンプルで，かつ，簡単なソフトウェア制御で利用することができるメリットがあります．
　以下では，ホスト側のマイコン・システムを単にホストと，PS/2マウスを単にマウスとします．また，クロック信号はマイコンのクロックと区別するため，マウス・クロック信号あるいはマウス・クロックと表記します．
　ホストとマウスの間は，マウス・クロックとデータの２本の信号線による同期式双方向シリアル通信方式で接続されます．この２本の信号線は，ホストとマウスの両方が出力する双方向の信号で，両者ともオープン・コレクタ型のバッファで駆動するいわゆるワイヤードOR構成を取ります。
　送受信のデータは８ビット（１バイト）が１単位となります．送受信信号はスタート・ビットに続き，データ（LSBからMSBの順），奇数パリティ・ビット，ストップ・ビットが並びます．

　ホスト側からのデータの出力やサンプルはマウス・クロックに同期しておこないます．マウス・クロックの周期は最小60[μSec]，最大100[μSec]と規定されており，マイコンのソフトウェアで制御可能な範囲にあります．また，マウス・クロック信号は，ホスト側からの送信の最初（送信要求の通知）を除き，基本的にマウス側で生成します．

●送出コマンド（ホスト⇒マウス）
　マウスはホストに対してマウスの移動情報やボタンの操作情報を送出することが基本機能ですが，ホスト側から各種のコマンドをマウスへ送り．設定や制御ができます．主なコマンドを表１に示します．

　ここで，特に重要なコマンドはリセットとストリーミング・モード開始です．
　マウスがリセット・コマンド(0xFF)を受信するとセルフ・テストし，初期化します．また，マウスはストリーミング・モード開始コマンド(0xF4)を受信することで移動情報やボタン操作情報の送出を開始します．

●マウスからの応答メッセージ（マウス⇒ホスト）
　表２にマウスからホストへ送られるメッセージの主なものを示します．

　マウスはホストからのコマンドを受け付けると，応答メッセージ(0xFA)を返します．また，リセット・コマンドでは，応答メッセージに続き，セルフ・テストの完了を示す0xAAとマウスID(３ボタン・マウスの場合は0x00)を返却します．ストリーミング・モード開始コマンドでは，応答メッセージに続き，移動情報やボタン操作情報の送出を開始します．

●ストリーミング・モード開始後の受信データ（マウス⇒ホスト）
　マウスがストリーミング・モードに設定されると，マウスは操作に対応した３バイトを１セットとした情報を送出します．マウスが送出するデータの形式を表３(1)(2)に示します．

　第１バイト目にはオーバー・フロー，移動方向，ボタンの状況などの情報があります．ボタンは押されている場合に１となります．ボタン操作に関しては，ボタンが押された時と離された時にマウスからのデータ送出があります．
　第２バイト目は横方向の移動量で，第１バイトのビット４の移動方向の情報（MSBとなる）と合わせて２の補数表示の９ビットの情報となります．したがって，移動量は−２５６から＋２５５の値をとります．右方向への移動は＋の値で，左方向の移動は−の値となります．
　第３バイト目は縦方向の移動量で，第１バイトのビット５の移動方向の情報（MSBとなる）と合わせて２の補数表示の９ビットの情報となります．同様に，移動量は−２５６から＋２５５の値をとります．前方方向への移動は＋の値で，手前方向の移動は−の値となります．

■インターフェース回路の構成
●インターフェース回路
　ホストとマウス間の信号はマウス・クロック信号とデータ信号の２本が基本となります．その他，マウスに電源を供給するための５[V]ラインとグランド・ラインがあります．図１にホスト・マイコンとマウスのインターフェース回路を示します．

　マウス・クロック信号とデータ信号は双方向の信号で，ホストからもマウスからも駆動される信号です．このため，通常のドライバICで接続することはできず，オープン・コレクタ型のバッファ（7407など）で接続する必要があります．オープン・コレクタ型のバッファは出力部分にハイ・レベルを駆動するトランジスタがなく，出力端子を抵抗でプル・アップしておき，ハイ・レベルを確保します．つまり，オープン・コレクタ型のバッファ同士を接続しておき，いずれのバッファもロウ・レベルを出力しない場合，プルアップ抵抗の働きで信号ラインがハイ・レベルになる仕組み（いわゆるワイヤードＯＲ）になっています．
　図１に示したインターフェース回路では，ホスト・マイコン側で，クロック信号を供給するポート（出力端子）にオープン・コレクタ型のIC(7407)を経由してマウスと接続し，マウスから送られてくるマウス・クロック信号は別のポート（入力端子）で受けます．データも同様に出力ポートにはオープン・コレクタ型を経由して接続し，データ入力は別ポートを割り当てています．

●プラグ／ジャック仕様
　次にホストとマウスを接続するプラグとジャックについて説明します．マウスのプラグは６ピンのミニDINでジャックはこれに対応するものを使用します（秋葉原などで容易に入手できます）．図２に形状とピン接続を示します．

■信号のタイミング規定と送受信シーケンス
●マウスからのデータの受信タイミング
　マウスからホストへのデータ送出タイミングは，マウスが生成するマウス・クロックに同期して行われます（図３参照）．

　マウスが送出するデータはマウス・クロックの立上がりエッジで変化します．データ変化のタイミング規定は最小で５[μSec]，最大はマウス・クロックのハイ期間−５[μSec]となっています．
　したがって，ホスト側はマウス・クロックの立下りエッジでデータをサンプルすることで，安定した後のデータを取得することができます．

●マウスからのデータの受信シーケンス
　マウスから送出されるデータをホストが受信するシーケンスはおよそ次のようになります（ホスト側の観点で説明）．

●ホストからのコマンド送出タイミング
　ホスト側からマウスへのコマンド送出は少々複雑です．最初にホスト側がマウス・クロック・ラインをロウ・レベルに設定することでマウス側にコマンド送出要求を伝え，それに対応してマウス側からマウス・クロック信号が出力され，それに合わせてホスト側がデータを出力します（図４参照）．

　図４において，下段にあるマウス・クロックとデータのペアが信号線上の様子になります．分かりやすいように，中段にはマウスが出力する信号値を，上段にはホストが出力する信号値を示しています．

　ホストはマウス・クロックの立下りエッジに同期してデータを出力します．マウスはマウス・クロック信号の立上りでデータをサンプルします．データはマウス・クロックの立上り後１[μSec]間は安定にする必要がありますが，マウス・クロックの立下りエッジに同期して出力していればこの規約は満足できます．

　ホストが最後のストップ・ビットを送出した後，マウスはデータ・ラインをロウ・レベルにしてアクノリッジを返します．

●ホストからマウスへのコマンド送出シーケンス
　ホストからマウスへのデータ（コマンド）の送出のシーケンスをホストの観点から説明するとおよそ次のようになります．

■プログラム解説
　ここではアトメル社のマイコンAT90S4433（８[MHz]）をターゲットし，Ｃ言語で記述したプログラムを例に解説します．なお，別のマイコンでも簡単に利用できるように，ポートの入出力部はマクロ化しています．実際に使用するマイコンに合わせてマクロの変更や関数化するだけで対応可能になっています．AT90S4433用の実際のプログラムは後の節で紹介します．

〔リスト１〕PS/2マウス制御プログラム（行番号付き PDF）

〔リスト２〕PS/2マウス制御プログラム（行番号なし TXT）

●ポート入出力用マクロ
　表４にプログラムで使用しているポートの入出力マクロを示します．

●コマンド送出プログラム（put_mouse関数 .. 11〜50行目）
　「ホストからマウスへのデータ送出」で説明したフローにしたがって，プログラムを記述しています．リスト中のコメントの[1]〜[19]は図４の[1]〜[19]と対応しています．
　put_mouse関数は送信データを引数として受け取ります．put_mouse関数中の17行目のwait_60usec関数は60[μSec]間の待合せをする関数です．
　パリティは，データの送出毎にハイ・レベルであればカウントしておき，パリティ・ビットの送出時に奇数／偶数を判断し，ロウ・レベル／ハイ・レベルを送出しています．
　ストップ・ビット送出後はマウスからのアクノリッジ（データ入力ポートがロウ・レベル）を確認し，さらにマウス・クロックがハイ・レベルになるのを確認して終了しています．

●データ受信プログラム（get_mouse1関数 .. 52〜94行目）
　マウスから１バイト分のデータを受信する関数で，「マウスからのデータの受信」で説明したフローにしたがって記述しています．リスト中のコメントの(1)〜(16)は図３の(1)〜(16)に対応しています．
　get_mouse1関数は受信データの格納変数のアドレスを引数として受け取り，マウスからの受信データを格納します．また，リターン値としてエラー情報を返却します．get_mouse1関数の呼出し時点ではマウス・クロックがハイ・レベルであることを想定しています．もし，マウス・クロックがロウ・レベルである場合はエラーとして終了します．
　パリティのチェックはデータの受信毎およびパリティ・ビットの受信時にハイ・レベルであればカウントしておき，関数の終了状態情報としてリターン値に設定します．
　ストップ・ビットの受信確認後，マウス・クロックがハイ・レベルになるのを待って終了しています．

●ストリーミング・モード・データ受信プログラム（get_mouse3関数 .. 96〜114行目）
　マウスをストリーミング・モードに設定すると，マウス操作に応じて３バイトの情報が送出されます．get_mouse3関数はこの３バイトの情報とステータス（エラー発生）を返却します．
　マウスの操作データを元におこなう主処理に時間がかかると，マウスは次の操作データを送出してしまうかもしれません．操作データの送出の途中から受信処理を開始すると，ホストは正常なデータを受信できません．そのため，マウスの移動情報の３バイトを受信する場合は，マウスからの送信の途中の場合を検出して終了まで待ってから，新規に受信処理を開始するようにプログラムを作成する必要があります．リスト１のプログラム例では，101〜108行目において，マウス・クロックが一定期間ハイ・レベルであることを確認してから受信処理を開始するようにしてあります．

●マウスの初期化プログラム（init_PS2関数 .. 116〜125行目）
　マウスの初期化プログラムはマウスをリセットするコマンド（0xFF）を送出し，マウスからのアクノリッジ・メッセージ（0xFA）を受信，次いでセルフ・テスト正常終了メッセージ（0xAA）を受信し，最後にマウスＩＤコード（0x00）の受信して終了します．この関数ではエラー情報を返却します．

●ストリーミング・モード開始コマンド送出プログラム（start_PS2関数 .. 127〜134行目）
　ストリーミング・モード開始コマンド送出プログラムはこのモードに設定するコマンドコマンド（0xF4）の送出し，マウスからのアクノリッジ・メッセージ（0xFA）の受信して終了します．この関数でもエラー情報を返却します．

●メイン・プログラムの流れ
　以上，説明したＣ言語関数を利用してメイン・プログラムを構成すると，次の様になります．

■応用に当たっての諸注意
●スクロール用ホィール付きマウスの場合
　最近のマウスの多くはスクロール用ホィール付きマウス（以下，スクロール・マウス）になってきています．このスクロール・マウスを接続する場合は取り扱いが少々異なります．ポイントは次の３点です．

　・ホィール機能を有効にしなければ，３ボタン・マウスとして機能
　・よって，ホィール機能を有効するには設定が必要
　・ホィールの回転情報は第４バイト目として付加

　ホィール機能を有効するには，ホストからマウスのストリーミング・モード開始コマンドを送出する前にサンプル・レイト設定として次の３パターン（１０進数）を送出します．

　　２００　⇒　１００　⇒　８０

　１つのサンプル・レイトのデータを送出した後，アクノリッジ・メッセージを受信してから次ののレイト・データを送信します．
　この設定を行った後，ストリーミング・モード開始コマンドを送出することで，ホィール機能が有効になります．
　ホィール機能が有効になると，マウスはホィールの動きの情報を第４バイト目に付加して送信してきます．第１から第３バイトの情報は３ボタン・マウスと同じです．第４バイト目の情報も２の補数で表現されており，ホィールを手前に回転させると＋値となり，前方に回転させると−値となります．

●２ポート（ホスト・マイコン側）による接続
　ホスト側のマイコンのポートに３ステート・バッファを経由した出力機能があり，入出力の方向設定をプログラムによって動的に（プログラムの実行中にいつでも）切り換えられる場合，マウス・クロックの入力と出力ポートを１つのポートに集約して制御することができます．この場合，オープン・コレクタ型のバッファICも必要ありません．同様にデータの入力と出力ポートも１個のポートに対応させることができ，２個のポートでマウスを接続することができます．ただし，マイコンのポートのドライブ能力やマウスのケーブルの長さなどによっては，信号の送受に問題が発生することもあります．

●マイコンのクロック速度
　マウスで生成されるマウス・クロック信号は，ハイ・レベル期間，ロウ・レベル期間ともに最小値で30[μSec]と規定されています．ソフトウェアで制御する場合，必要な処理がこの期間内に終了する必要があります．低速なクロックでマイコンを動作させる場合や１命令に多くのクロックを要する初期のマイコンでは，30[μSec]間に必要な処理が終了せず，正常な送信／受信動作ができない場合があります．

■ＡＶＲマイコンによる実装例
　ここでは，アトメル社のマイコンAT90S4433（８[MHz]）を使ったテスト・システムとＣ言語で記述したプログラムを解説します．ソフトウェアはＣ言語で記述し，GNUのAVR用gccであるwinavrでコンパイルしています．

●回路構成
　使用したマイコンはアトメル社のAT90S4433で，２８ピンのスリムDIPパッケージの８[MHz]品です．動作確認用としてＬＣＤ（SC1602BS*B，１６文字Ｘ２行），ＬＥＤ（２個），DIPスイッチ（２個）を搭載しています（写真１）．マイコンAT90S4433の３つのポート（PB[5:0]，PC[5:0]，PD[7:0]）を図５に示すように使い分けています．詳細な回路図はこちらになります．

＜写真１　AVR-PS/2インターフェース・テスト・システム＞

●ソフトウェア１ ... ３ボタン・マウス用
　３ボタンのPS/2マウスの初期化をおこない，マウスからの操作データをＬＣＤに表示するプログラムです．ファイル構成は次のとおりです．

　プログラムのコンパイルは上記全てのファイルを適当なフォルダにコピーして， make するだけです．

●ソフトウェア２ ... ホィール・マウス用
　こちらはホィール付きマウス用プログラムです．ほとんどの部分が上記３ボタン・マウス用と同じです．異なる部分は　メイン・プログラム　で，スクロール・モード用の設定コマンドとしてサンプル・レイトの設定部分があります．
　また，マウスからは４バイトが１パケットとして送られてくることになりますので，get_mouse3関数に替わり，get_mouse4関数があります（こちらも AVRPS2_main.c にあります）．
　コンパイルするためには， AVRPS2_main.c を除く上記ファイル全てと，スクロール・マウス用メイン関数のあるファイル（AVRPS2_main.c）を適当なフォルダにコピーして make します．

　次にAVR-PS/2インターフェース・テスト・システム上にホィール・マウスを接続して，マウスからの操作データを表示実験しているところの写真を示します．

＜写真２　システム・テスト中の様子＞

■最後に
　実は,このレポートの作成に先立ち，PS/2マウス・インターフェースをVerilog-HDLで記述して回路としてFPGAに実装しテストしています．準備ができ次第，公開する予定です．