基于嵌入式Linux的矩陣鍵盤驅(qū)動研究與實(shí)現(xiàn)

李其珂，付紅橋

(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400030)

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的工業(yè)控制設(shè)備和移動終端設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，這些設(shè)備通稱為嵌入式系統(tǒng)。IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)對嵌入式系統(tǒng)的定義為“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。在這些嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤作為人機(jī)交互的重要手段，是應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備之一。當(dāng)按鍵較少時，采用獨(dú)立式鍵盤，當(dāng)按鍵較多時，采用矩陣式鍵盤。嵌入式Linux具有開源、免費(fèi)、容易裁剪和良好的硬件支持等特性［1］，在嵌入式計(jì)算領(lǐng)域得到了最為廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)前，對于嵌入式系統(tǒng)中的矩陣鍵盤功能實(shí)現(xiàn)，多數(shù)應(yīng)用是基于中斷方式來實(shí)現(xiàn)的［2－3］。按鍵事件在一個嵌入式系統(tǒng)中并不需要實(shí)時性很高，而采用中斷的方式來判斷按鍵是否按下的方案會把一個嵌入式系統(tǒng)中的按鍵事件的優(yōu)先級提高，系統(tǒng)中其他更需要迫切處理的事件就延遲處理了，這就降低了整個系統(tǒng)的實(shí)時性能。本研究在基于嵌入式微處理器 AT91RM9200的基礎(chǔ)上，采用輪詢的機(jī)制實(shí)現(xiàn)了一個4×4矩陣鍵盤，并設(shè)計(jì)了矩陣鍵盤的驅(qū)動程序。

1 軟硬件平臺

1.1 硬件平臺

AT91RM9200是ATMEL應(yīng)用最為廣泛的一款基于RISC架構(gòu)的工業(yè)級ARM9處理器，主頻高達(dá)200 MHz，功耗低，片內(nèi)外設(shè)非常豐富，支持嵌入式微處理器的各種常用接口，并且提供了4×32個可編程的GPIO端口［4］。本系統(tǒng)采用PB端口擴(kuò)展了一個4×4矩陣鍵盤。其中鍵盤硬件連接示意圖如圖1所示。按鍵列陣列必須提供上拉信號，即通過4.7 K上拉電阻連接到+3.3 V電源電壓VDD上，行和列陣列都加了20 Ω電阻，防止瞬間電流過大對嵌入式微處理器I/O口造成沖擊。

按照鍵盤的構(gòu)造方式，常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式鍵盤接口和矩陣式鍵盤接口。其中，獨(dú)立式鍵盤的每個按鍵都占用嵌入式微處理器的一個I/O口，各按鍵相互獨(dú)立。使用獨(dú)立式鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單、可靠，軟件編程簡單。缺點(diǎn)是在資源受到限制的嵌入式系統(tǒng)中，獨(dú)立式鍵盤對I/O口占用較多。因此，在嵌入式系統(tǒng)中很少使用獨(dú)立式鍵盤這種方案。

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，大量使用矩陣式鍵盤，它能用比較少的I/O端口驅(qū)動比較多的按鍵。圖1是嵌入式系統(tǒng)中最常采用的4×4矩陣鍵盤。4×4矩陣鍵盤電路由4根行線和4根列線組成，按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。一個4×4的行列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個16個按鍵的鍵盤。4×4矩陣鍵盤的行和列分別和AT91RM9200處理器 的4個GPIO(General Parallel Input/Output)端口相連。顯然，在按鍵數(shù)量較多的場合，矩陣鍵盤和獨(dú)立鍵盤相比可以大大節(jié)省嵌入式系統(tǒng)的I/O口資源。

圖1 鍵盤硬件連接示意圖

1.2 軟件平臺

本研究采用Linux 2.6內(nèi)核作為設(shè)計(jì)的軟件平臺。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，操作系統(tǒng)對智能電源管理、熱插拔以及即插即用的支持要求也越來越高，Linux 2.4內(nèi)核已經(jīng)難以滿足這些需求。為了滿足這些新的需求，Linux 2.6內(nèi)核開發(fā)了全新的總線、類、設(shè)備和驅(qū)動環(huán)環(huán)相扣的設(shè)備模型［5］。

Linux 2.6內(nèi)核的設(shè)備模型如圖2所示。它是基于總線、設(shè)備和驅(qū)動的。設(shè)備掛在總線上，驅(qū)動和設(shè)備進(jìn)行分離。

Linux系統(tǒng)將設(shè)備分成3種基本類型:字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備［6］。鍵盤屬于字符設(shè)備。許多設(shè)備都掛在總線上，但是也有設(shè)備沒有掛在總線上，本系統(tǒng)的矩陣鍵盤設(shè)備就沒有掛在總線上。Linux 2.6內(nèi)核提供了一種platform總線機(jī)制，它是一種虛擬的總線。沒有掛在總線上的設(shè)備都可以掛在platform總線上。這種機(jī)制完全符合Linux 2.6內(nèi)核的總線、設(shè)備和驅(qū)動的設(shè)備模型，并將設(shè)備和驅(qū)動進(jìn)行了分離。

在Linux內(nèi)核源代碼中，各種驅(qū)動程序的代碼量占據(jù)了整個Linux內(nèi)核代碼的85%，這足以說明Linux設(shè)備驅(qū)動在內(nèi)核代碼中的重要作用。設(shè)備驅(qū)動不僅為應(yīng)用程序提供了訪問設(shè)備的機(jī)制，還為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的具體細(xì)節(jié)。在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，用戶可以像操作普通的文件一樣應(yīng)用程序操作硬件。

圖2 Linux設(shè)備模型

2 4×4矩陣鍵盤的驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

在完成4×4矩陣鍵盤接口電路的設(shè)計(jì)和掌握Linux 2.6的設(shè)備模型的基礎(chǔ)上，還需要編寫相應(yīng)的矩陣鍵盤驅(qū)動程序。本研究采用的基于AT91RM9200處理器的平臺已經(jīng)成功移植并運(yùn)行了嵌入式Linux操作系統(tǒng)［7］，因此鍵盤的驅(qū)動模塊開發(fā)就變得簡單了許多。嵌入式Linux中的驅(qū)動程序運(yùn)行在內(nèi)核態(tài)，屬于操作系統(tǒng)的范疇。驅(qū)動程序可以靜態(tài)編譯到內(nèi)核，也可以以模塊方式動態(tài)加載到內(nèi)核。為了方便調(diào)試，本研究選擇將按鍵驅(qū)動以動態(tài)模式加載到內(nèi)核中。矩陣鍵盤驅(qū)動程序的編寫主要可分為驅(qū)動程序初始化、文件操作接口實(shí)現(xiàn)以及鍵盤掃描3部分。

2.1 驅(qū)動程序初始化

鍵盤驅(qū)動程序?qū)儆谧址O(shè)備驅(qū)動程序的范疇。鍵盤驅(qū)動模塊主要由模塊加載函數(shù)、模塊卸載函數(shù)和模塊許可證聲明3部分組成。模塊加載函數(shù)除了完成鍵盤設(shè)備主、次設(shè)備號的申請和鍵盤設(shè)備的注冊外，還應(yīng)包括硬件的初始化。下面是本文根據(jù)AT91RM9200處理器的特性［4］編寫了硬件初始化的偽代碼。

2.2 文件操作接口的實(shí)現(xiàn)

鍵盤在嵌入式系統(tǒng)中起到輸入作用，所以在矩陣鍵盤驅(qū)動程序的文件操作結(jié)構(gòu)體中，最重要的文件操作函數(shù)是文件讀函數(shù)。在鍵盤設(shè)備文件讀函數(shù)中加入自旋鎖，確保矩陣鍵盤文件在同一時刻只被一個進(jìn)程打開。因?yàn)槎啻伟存I可能無法被及時處理，結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目的應(yīng)用需求，可以利用緩沖區(qū)緩存被按下鍵的鍵碼值，直到用戶應(yīng)用程序處理這一按鍵事件。本研究中的緩沖區(qū)是用一個環(huán)形隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)的。緩沖區(qū)的大小可以根據(jù)具體的應(yīng)用來調(diào)整，本研究設(shè)定緩沖區(qū)的大小為10個字節(jié)。當(dāng)按鍵被按下后，鍵碼值就緩存到緩沖區(qū)的下一個空閑位置處，并更新緩沖區(qū)位置指針。當(dāng)緩沖區(qū)滿時，丟棄此次按鍵的鍵碼值。用戶應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用read()函數(shù)來讀取緩沖區(qū)的鍵碼值，驅(qū)動程序根據(jù)實(shí)際讀取鍵碼值的多少調(diào)整緩沖區(qū)的位置指針。以下是實(shí)現(xiàn)鍵盤讀函數(shù)keyboard_read()的偽代碼:個數(shù);

2.3 鍵盤掃描

鍵盤掃描程序是用來判斷被按下鍵的位置并取得相應(yīng)的鍵碼值，然后存放到鍵碼緩沖區(qū)中。鍵盤掃描程序的實(shí)現(xiàn)有中斷方式和輪詢方式。本研究中利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核定時器實(shí)現(xiàn)了輪詢矩陣鍵盤的掃描方案，主要基于以下原因:一是AT91RM9200的一組GPIO端口只有一條中斷信號線，如果采用中斷方式，對于圖1的硬件設(shè)計(jì)方案必須使用4條中斷信號線才能滿足設(shè)計(jì)要求;二是因?yàn)殒I盤是嵌入式系統(tǒng)中的一種低速輸入設(shè)備，采用輪詢掃描鍵盤的方式就可以滿足矩陣鍵盤的輸入要求。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)提供了良好的內(nèi)核定時器機(jī)制，只要通過對內(nèi)核定時器接口函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的操作，就可以實(shí)現(xiàn)周期性地輪詢矩陣鍵盤的狀態(tài)，并對按鍵事件進(jìn)程進(jìn)行處理。這一周期性時間間隔本研究指定為10 ms。本文給出的4×4矩陣鍵盤輪詢掃描程序算法流程如圖3所示。

3 鍵盤問題的處理方法

3.1 消除按鍵抖動

對于消除按鍵抖動，本研究采用軟件消抖的方法。鍵盤作為輸入設(shè)備，也是共享設(shè)備。本文采用了“自旋鎖(spinlock)”機(jī)制來對共享的鍵盤實(shí)現(xiàn)互斥訪問。因?yàn)樽孕i保護(hù)的代碼不能睡眠，否則就有可能發(fā)生死鎖，造成系統(tǒng)死機(jī)，因此消除按鍵抖動的思路是在第1次檢測到有鍵按下時，調(diào)用mdelay(KBD_JITTER)函數(shù)實(shí)現(xiàn)2 ms的短延時后，再次確認(rèn)該鍵是否被按下，從而達(dá)到消除按鍵抖動的目的。

圖3 矩陣鍵盤掃描算法流程

3.2 重鍵

利用按鍵按下抬起標(biāo)志(按鍵抬起的鍵碼值是按下的鍵碼值加上0xA0)，把一次完整的按鍵事件分成按下和抬起2部分。當(dāng)有鍵按下未抬起的同時又有其他鍵按下，這時線程就會一直循環(huán)掃描鍵盤事件，所以能把其他的按鍵事件捕捉到并加入到環(huán)形等待隊(duì)列中。

4 鍵盤驅(qū)動測試

鍵盤驅(qū)動測試主要測試鍵盤驅(qū)動能否正確地判斷被按下鍵的位置并取得相應(yīng)的鍵碼值。在硬件方面，首先將PB0～PB7端口與矩陣鍵盤的行列線如圖1所示連接。然后用串口線把PC機(jī)的COM口和以AT91RM9200為核心的嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)的調(diào)試串口相連。在軟件方面，保證嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)能穩(wěn)定運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。然后利用PC機(jī)上的串口控制臺來控制嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)［8］。用insmod命令將編譯好的矩陣驅(qū)動模塊動態(tài)加載到內(nèi)核，然后執(zhí)行矩陣鍵盤測試應(yīng)用程序。

當(dāng)有按鍵被按下時，就會有被按下鍵的鍵碼值立即回顯在串口控制臺;當(dāng)按鍵抬起時，就會有相應(yīng)按鍵的鍵碼值加上0xA0立即回顯在串口控制臺。測試表明，此矩陣鍵盤驅(qū)動程序能實(shí)時、正確地判斷被按下鍵的位置。

5 結(jié)束語

本文介紹了基于ATMEL AT91RM9200和嵌入式Linux的4×4矩陣鍵盤驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)方案。該驅(qū)動程序以動態(tài)模塊的方式加入內(nèi)核后，通過應(yīng)用程序測試證明矩陣鍵盤驅(qū)動工作準(zhǔn)確、穩(wěn)定。這一方案也對在其他嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展矩陣鍵盤具有參考價值和意義。

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