PS/2键盘执行“获取扫描码集”命令异常问题排查

问题背景 #

我正在开发一款简易操作系统，采用Ben Lunt《FYSOS: Input and Output Devices》中的PS/2控制器与键盘初始化方案。该方案在Bochs模拟器及HP Elite Book（Intel Core i5）硬件上运行正常，但在HP Pavilion（Intel Core i5）笔记本上执行“获取扫描码集”命令时出现异常：前两次读取0x60端口返回确认字节，第三次读取（预期获取扫描码集编号）超时。请问是代码存在问题还是硬件存在缺陷？

相关初始化源码 #

; 子例程 kernel_write_ps2：AL传入要写入的字节，DX传入端口地址，EAX返回结果码
; 子例程 kernel_read_ps2：读取0x60端口，EAX返回结果码，BL返回读取的字节
; 两个子例程的超时时间均为100毫秒

dk_init:
    call dk_set_ps2_for_init

    ; 禁用两个PS/2通道
    mov al, 0xf5
    call dk_send_command_wait_acknowledge
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    mov al, 0xf5
    call dk_send_command_wait_acknowledge2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    ; 键盘复位
    mov al, 0xff
    call dk_send_command_wait_acknowledge
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    mov eax, 750
    call kernel_mdelay_pcc                      ; 延时750毫秒

    call kernel_read_ps2                        ; 等待输出缓冲区就绪并读取
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    cmp bl, 0xaa
    jz .echo
    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_KB_SELFTEST
    jmp .exit

; 回显测试
.echo:
    mov dx, 0x60
    mov al, 0xee
    call kernel_write_ps2                       ; 等待输入缓冲区就绪并写入
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit
 
    cmp bl, 0xee
    jz .identify

    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_KB_ECHO
    jmp .exit

; 获取键盘ID
.identify:
    mov al, 0xf2
    call dk_send_command_wait_acknowledge
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    cmp bl, 0xab
    jz .identify1

    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_KB_TYPE
    jmp .exit

.identify1:
    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call dk_get_scancode_set

; TODO: 重新启用相关设置...

.exit:
    ret

;--------------

dk_send_command_wait_acknowledge:
    push ebx
    push edx

    mov dx, 0x60
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    cmp bl, 0xfa
    jnz .error
    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jmp .exit

.error:
    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_KB_COMMAND_NOT_ACK

.exit:
    pop edx
    pop ebx
    ret

;-------------

dk_send_command_wait_acknowledge2:              ; 用于第二个通道
    push ebx
    push edx

    mov bl, al
    mov dx, 0x64
    mov al, 0xd4
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    mov al, bl
    mov dx, 0x60
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    cmp bl, 0xfa
    jnz .error
    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jmp .exit

.error:
    mov eax, G_SYSTEM_ERROR_KB_COMMAND_NOT_ACK

.exit:
    pop edx
    pop ebx
    ret

;----------------

; 禁用两个通道的中断并关闭翻译功能
dk_set_ps2_for_init:
    push ebx
    push edx

    mov dx, 0x64
    mov al, 0x20
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

.change_config:
    and bl, ~((1 << 6) | (1 << 1) | 1)

    mov dx, 0x64
    mov al, G_PS2_COMMAND_WRITE_RAM_0
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    mov dx, 0x60
    mov al, bl
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

.exit:
    pop edx
    pop ebx
    ret

;-------------

dk_get_scancode_set:
    mov dx, 0x60
    mov al, 0xf0
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    mov dx, 0x60
    mov al, 0
    call kernel_write_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    push eax
    mov al, bl
    call kernel_print_byte_hex      ; 调试打印
    pop eax

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    push eax
    mov al, bl
    call kernel_print_byte_hex      ; 调试打印
    pop eax

    call kernel_read_ps2
    cmp eax, G_SYSTEM_ERROR_OK
    jnz .exit

    push eax
    mov al, bl
    call kernel_print_byte_hex      ; 调试打印
    pop eax

.exit:
    ret

问题分析与排查方向 #

代码层面潜在问题 #

1. 固定读取次数不符合标准响应流程
   标准PS/2键盘处理0xF0 0（获取扫描码集）命令的响应是：先返回0xFA确认命令，再返回1字节的扫描码集编号。代码中固定读取3次，属于误判返回数据长度，导致第三次读取无数据可拿而超时。

2. 超时时间设置不足
   当前kernel_read_ps2的超时为100ms，HP Pavilion的PS/2控制器或键盘可能响应速度更慢，需要更长的等待时间才能返回扫描码集编号。

3. 缺乏状态寄存器前置检查
   代码直接调用kernel_read_ps2，未先检查0x64端口的状态位（第0位为1表示输出缓冲区就绪），可能在缓冲区未就绪时就开始等待，导致提前触发超时。

硬件层面可能情况 #

1. OEM定制硬件的兼容性差异
   部分HP Pavilion笔记本的PS/2键盘是OEM定制款，或PS/2接口由南桥模拟实现，对标准PS/2命令的响应逻辑与传统设备不同，可能不支持0xF0命令获取扫描码集，或返回数据的时序存在差异。

2. 硬件时序差异
   不同机型的PS/2控制器时钟频率、响应延迟存在差异，导致在100ms超时窗口内无法完成数据传输。

修复建议 #

1. 修正读取逻辑
   将dk_get_scancode_set中的固定3次读取改为：先读取确认字节0xFA，再读取1次扫描码集编号（共2次读取）；或改为循环读取直到超时，每次读取前检查输出缓冲区状态。

2. 延长超时时间
   将kernel_read_ps2的超时时间调整为200ms甚至500ms，测试是否能获取到目标数据。

3. 添加状态检查
   在调用kernel_read_ps2前，循环读取0x64端口，直到第0位为1（输出缓冲区就绪）再执行读取操作，避免无效等待。

4. 跳过检测直接设置扫描码集
   尝试直接发送0xF0 1（设置扫描码集1）命令，跳过获取步骤，验证硬件是否能正常响应设置命令，判断是否是获取命令本身的兼容性问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ruslan