基于嵌入式Linux系統(tǒng)的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

徐德龍，余瑾

（北京郵電大學(xué)，北京100876）

引 言

隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，嵌入式系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)逐漸成為熱點(diǎn)，Linux也以其開(kāi)源、穩(wěn)定、可裁剪的優(yōu)勢(shì)成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流。在眾多的嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤(pán)成為一種應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備。然而，嵌入式設(shè)備的功能差異性又決定了為其提供一種通用性鍵盤(pán)是不可行的，往往需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際功能設(shè)計(jì)所需的特殊鍵盤(pán)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

S3C6410是三星公司高性能的32位RISC微處理器，內(nèi)部集成了多種強(qiáng)大的硬件加速器，適合進(jìn)行視頻和圖像處理，成為了目前嵌入式處理器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。本文以在S3C6410微處理器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)24鍵矩陣鍵盤(pán)為例，呈現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的整體流程，并對(duì)Linux系統(tǒng)下輸入事件的底層傳遞機(jī)制進(jìn)行了研究和分析。

1 接口電路的設(shè)計(jì)

在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展鍵盤(pán)的常用方式是通過(guò)對(duì)CPU的GPIO 端口進(jìn)行掃描實(shí)現(xiàn)的，顯然這種方式在鍵盤(pán)按鍵數(shù)目較多的情況下，會(huì)占用過(guò)多的GPIO 資源，增加了GPIO 端口資源較為緊張的嵌入式處理器的負(fù)擔(dān)。

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)通過(guò)增加3 片SN74HC164 芯片來(lái)達(dá)到節(jié)約GPIO 資源的目的。SN74HC164是一種8位的串行輸入、并行輸出移位寄存器，它的內(nèi)部由8個(gè)D 觸發(fā)器串聯(lián)而成。每當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，兩個(gè)輸入端將當(dāng)前輸入信號(hào)傳送到并行輸出端，并實(shí)現(xiàn)移位操作。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

3個(gè)SN74HC164芯片串聯(lián)后，將它們的CLK 引腳接到S3C6410開(kāi)發(fā)板的GPE4端口上。第一個(gè)SN74HC164芯片的A、B 輸入引腳共同接到開(kāi)發(fā)板的GPE3端口上，并且將這兩個(gè)GPIO 端口配置成輸出模式。GPE2端口與鍵盤(pán)按鍵的上拉端連接，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在中斷模式和輸入模式之間切換，以達(dá)到觸發(fā)中斷和對(duì)鍵盤(pán)掃描的目的。這樣我們就借助于3個(gè)SN74HC164移位寄存器，只占用3個(gè)GPIO 端口，給掃描鍵盤(pán)的24個(gè)按鍵提供輸入信號(hào)，既節(jié)約了成本，又避免了GPIO 資源的浪費(fèi)。

圖1 硬件原理圖

2 掃描工作原理

擴(kuò)展硬件電路的同時(shí)給鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了一定的麻煩，驅(qū)動(dòng)程序首先要將SN74HC164 驅(qū)動(dòng)起來(lái)，然后才能對(duì)電路進(jìn)行控制。該電路的輸出引腳被接到S3C6410的GPE2端口上，并且這個(gè)端口被配置成中斷源，無(wú)鍵按下時(shí)直接讀為高電位。鍵盤(pán)掃描時(shí)通過(guò)SN74HC164芯片先將鍵盤(pán)的24個(gè)鍵置低電平，任何一個(gè)鍵被按下，GPE2端口就會(huì)有從高電平到低電平的跳變，從而觸發(fā)一次中斷。

在中斷處理過(guò)程中，將GPE2端口置為輸入狀態(tài)。然后根據(jù)SN74HC164 芯片的輸入／輸出特性，給串聯(lián)的3個(gè)SN74HC164芯片發(fā)送24個(gè)高電平信號(hào)，使得鍵盤(pán)的各鍵位均為高電平。在隨后的24 個(gè)時(shí)鐘脈沖下，給SN74HC164芯片送入1個(gè)0和23個(gè)1，使得0在每個(gè)鍵位的輸入端都只出現(xiàn)一次，同時(shí)在GPE2端口進(jìn)行掃描。當(dāng)被按下鍵處于0輸入狀態(tài)時(shí)，其所在行就會(huì)讀到一個(gè)低電平，也就可以確定出鍵盤(pán)上哪個(gè)鍵被按下了。

3 驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)

在Linux2.6的版本中新加入了input子系統(tǒng)，給驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)者提供了一個(gè)完整的輸入事件——從底層設(shè)備傳遞到用戶進(jìn)程的模型。本文基于input子系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)較為完善的特殊鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)

在input子系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)核模型中，最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是struct input＿dev，作為驅(qū)動(dòng)的主體，每個(gè)struct input＿dev代表一個(gè)輸入設(shè)備。該結(jié)構(gòu)體中既包含了設(shè)備所能響應(yīng)的輸入事件類型、響應(yīng)按鍵種類、鍵盤(pán)碼表，以及坐標(biāo)范圍等字段，同時(shí)還包含了設(shè)備打開(kāi)、關(guān)閉以及回調(diào)函數(shù)等字段，能夠完整地記錄和標(biāo)識(shí)整個(gè)設(shè)備的功能與行為。在向內(nèi)核注冊(cè)input＿dev之前，需要進(jìn)行input＿dev結(jié)構(gòu)的初始化，同時(shí)向內(nèi)核申請(qǐng)鍵盤(pán)中斷。

首先設(shè)置輸入設(shè)備的功能，input＿set＿capability（＆sim＿key，EV＿KEY，KEY＿A）函數(shù)完成鍵盤(pán)A 鍵的輸入使能，類似可完成B～X 共24個(gè)按鍵的輸入使能。然后設(shè)置鍵盤(pán)的碼表。該鍵盤(pán)包含20個(gè)按鍵，碼表可表示為：static unsigned char sim＿keycode［24］＝｛KEY＿A，KEY＿B，KEY＿C，KEY＿D，KEY＿E，KEY＿F，KEY＿G，KEY＿H，KEY＿I，KEY＿J，KEY＿K，KEY＿L，KEY＿M(jìn)，KEY＿N，KEY＿O，KEY＿P，KEY＿Q，KEY＿R，KEY＿S，KEY＿T，KEY＿U，KEY＿V，KEY＿W，KEY＿X｝。當(dāng)相應(yīng)鍵按下時(shí)，碼表中的鍵值將被作為鍵盤(pán)碼上報(bào)到用戶空間的進(jìn)程。初始化工作完成之后，調(diào)用函數(shù)input＿register＿device（＆sim＿kb）向內(nèi)核注冊(cè)輸入設(shè)備。

由于鍵盤(pán)設(shè)備的輸入是異步的，可能會(huì)在任何時(shí)間得到按鍵事件，所以需向內(nèi)核申請(qǐng)中斷以保證對(duì)鍵盤(pán)輸入的實(shí)時(shí)響應(yīng)。中斷函數(shù)完成鍵盤(pán)的掃描操作，并上報(bào)輸入事件到用戶進(jìn)程，是整個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊的功能主體。然而使用中斷會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，在鍵盤(pán)的掃描過(guò)程中，按鍵的每次按下和抬起都會(huì)有10～20ms的毛刺抖動(dòng)存在，會(huì)將用戶的一次按鍵操作誤當(dāng)作幾次按鍵來(lái)處理。所以為了獲取穩(wěn)定的按鍵信息，必須要想辦法去掉這種抖動(dòng)。去毛刺的一種常見(jiàn)的方法是在注冊(cè)輸入設(shè)備時(shí)定義一個(gè)定時(shí)器timer，當(dāng)觸發(fā)中斷時(shí)先關(guān)閉I／O 中斷，然后啟動(dòng)定時(shí)器，等跳過(guò)毛刺抖動(dòng)以后再去調(diào)用掃描程序得到鍵值，并重新打開(kāi)中斷。按鍵事件被發(fā)送到input子系統(tǒng)核心后通知給用戶進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)查鍵過(guò)程。

4 基于input子系統(tǒng)的事件傳遞機(jī)制

實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)程序與用戶進(jìn)程通信的最主要的函數(shù)是input＿event（struct input＿dev＊dev，unsigned int type，unsigned int code，int value），也是input輸入子系統(tǒng)的核心，其實(shí)現(xiàn)機(jī)制如下。

Linux系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)向系統(tǒng)核心注冊(cè)input＿h(yuǎn)andler，一般將其稱為handler處理器，表示對(duì)輸入事件的具體處理，input＿h(yuǎn)andler為輸入設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)了一個(gè)接口。在執(zhí)行input＿register＿device注冊(cè)輸入設(shè)備的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)將input＿dev結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)中已注冊(cè)的input＿h(yuǎn)andler進(jìn)行遍歷匹配。與對(duì)應(yīng)的input＿h(yuǎn)andler成功匹配后，Linux內(nèi)核自動(dòng)創(chuàng)建evdev結(jié)構(gòu)體來(lái)表示輸入事件設(shè)備，該結(jié)構(gòu)中包含了input＿h(yuǎn)andle等字段，作為連接input＿dev與input＿h(yuǎn)andler的媒介。其中Linux內(nèi)核中與鍵盤(pán)設(shè)備匹配的input＿h(yuǎn)andler代碼為：

evdev＿event函數(shù)為事件處理函數(shù)，輸入設(shè)備所上報(bào)的事件通過(guò)evdev＿h(yuǎn)andler中的evdev＿event函數(shù)包裝成input＿event標(biāo)準(zhǔn)輸入格式，并存放在evdev下的evdev＿list緩沖區(qū)中，該結(jié)構(gòu)代碼如下：

用戶進(jìn)程讀取鍵盤(pán)事件時(shí)即會(huì)按照此種特定格式進(jìn)行。值得注意的是，當(dāng)讀取事件為鼠標(biāo)輸入時(shí)，需要先后讀取X 軸坐標(biāo)和Y 軸坐標(biāo)兩種數(shù)據(jù)，以完成完整的讀取操作。

在Linux系統(tǒng)中，所有的外設(shè)都是通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)向應(yīng)用程序提供接口，所以每個(gè)具有獨(dú)立功能的外設(shè)在Linux系統(tǒng)中都對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的設(shè)備文件。同時(shí)，在內(nèi)核中代表設(shè)備文件的結(jié)構(gòu)體包含了實(shí)現(xiàn)該設(shè)備功能的特定操作函數(shù)。

完成驅(qū)動(dòng)模塊的安裝之后，Linux系統(tǒng)會(huì)在／dev目錄下自動(dòng)創(chuàng)建輸入事件設(shè)備文件，本文中該設(shè)備名為event0。用戶進(jìn)程打開(kāi)對(duì)應(yīng)的輸入事件設(shè)備文件event0，即可執(zhí)行相應(yīng)的文件操作，如read、ioctl等。文件操作函數(shù)最終要進(jìn)入內(nèi)核，并調(diào)用存儲(chǔ)在事件設(shè)備結(jié)構(gòu)體中的evdev＿h(yuǎn)andler.evdev＿fops操作函數(shù)集完成對(duì)應(yīng)的文件操作。

例如用戶進(jìn)程在執(zhí)行read 操作時(shí)，會(huì)調(diào)用內(nèi)核中evdev＿fops-＞evdev＿read函數(shù)，先判斷當(dāng)前輸入事件設(shè)備緩沖區(qū)中是否有待讀取的input＿event事件。若緩沖區(qū)中無(wú)按鍵事件，進(jìn)程則放入等待隊(duì)列進(jìn)行睡眠，直到有按鍵事件產(chǎn)生并保存到緩沖區(qū)后，將睡眠進(jìn)程喚醒，調(diào)用copy＿to＿user復(fù)制函數(shù)完成輸入事件從內(nèi)核空間到用戶空間的拷貝，從而實(shí)現(xiàn)讀取操作。

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得出，鍵盤(pán)設(shè)備所產(chǎn)生的輸入事件以input子系統(tǒng)為傳遞介質(zhì)，并通過(guò)虛擬文件系統(tǒng)接口得以通知用戶進(jìn)程。本文從鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)出發(fā)，呈現(xiàn)了較為完整的輸入事件由內(nèi)核空間傳遞到用戶空間進(jìn)程的過(guò)程，對(duì)于驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)者了解底層驅(qū)動(dòng)的機(jī)制和更加有效地設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)模塊有著較為重要的意義。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該鍵盤(pán)具有良好的響應(yīng)特性，并實(shí)現(xiàn)了所預(yù)期的功能。

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