嵌入式Linux中基于Qt/Embedded的鍵盤接口設計*

2010-03-20 02:31:40劉紹宗張慶榮張金亮朱慶科

單片機與嵌入式系統應用 2010年11期

劉紹宗,張慶榮,張金亮,朱慶科

(1.北京航空航天大學,北京100191;2.山西省計量監督檢定測試所)

引言

隨著嵌入式系統的不斷發展,特別是嵌入式處理器運算能力的不斷增強,嵌入式系統被廣泛應用于信息家電、移動通信、手持信息設備以及工業控制等眾多領域。與此同時,用戶對于嵌入式系統圖形用戶界面的需求也不斷提高。嵌入式Linux作為一種流行的嵌入式系統平臺,它所具備的穩定、高效、易裁剪、易移植、硬件支持廣泛等優點,結合其源碼開放的特征,使得Linux在嵌入式操作系統中的地位日益重要。Qt/Embedded是一個完整的自包含GUI和基于Linux的嵌入式平臺開發工具,因其面向對象、跨平臺、界面設計更美觀和友好而得到廣泛的應用。Qt/Embedded具有客戶/服務器模型,直接向幀緩沖寫入數據,摒棄了X窗口系統,節省了內存。同時,將外部輸入設備抽象為鍵盤和鼠標輸入事件,底層接口支持鍵盤、GPM鼠標、觸摸屏,以及用戶自己定義的設備等[1]。

1 硬件設計

電路采用三星S3C2440處理器,實現了4×4矩陣鍵盤的輸入。矩陣鍵盤使用了處理器的4個GPIO和4個中斷,以中斷方式獲取鍵值,對應的中斷引腳分別是EINT3、EINT9、EINT11、EINT13。GPIO引腳與矩陣鍵盤的行相連接作為輸入端,中斷引腳與矩陣鍵盤的列相連作為矩陣鍵盤的輸出端。開始時GPIO端輸出為低電平,當有按鍵被按下時,按鍵所在列輸出低電平產生中斷,這時可以判斷按鍵所在的列。然后向每一行依次輸入高電平,如果列的輸出端由低電平變成高電平,則可以確定按鍵所在的行,這時鍵值被唯一鎖定。具體電路如圖1所示。

2 Linux下鍵盤接口驅動

鍵盤設備屬于字符設備,鍵盤驅動應該符合字符設備驅動的編寫模式。Linux采用內核模塊機制,當系統運行的時候驅動程序可以以模塊的形式動態地加載和卸載,既方便了驅動的調試,又縮短了開發周期。在驅動中必須實現static in t__initmy_kb_init(void)函數和static void__exitmy_kb_exit(void)函數。static int__initmy_kb_init(void)函數在內核加載鍵盤驅動時被調用,注冊模塊為以后調用模塊函數預先做準備,同時完成字符設備的注冊,分配主設備號,設置中斷類型,安裝中斷函數,并且將所有中斷禁止。static void__exitmy_kb_exit(void)函數在卸載模塊時被調用,用于撤銷初始化函數所做的一切,否則在系統重新引導之前一些東西會殘留在系統中,導致模塊重新加載失敗[2-3]。

圖1 鍵盤電路圖

鍵盤驅動中主要包括以下幾個子模塊:中斷處理子模塊、鍵盤掃描子模塊、消抖處理和組合鍵子模塊、重復按鍵子模塊等。驅動工作流程如圖2所示。

按鍵的識別主要是在中斷處理子模塊中完成的。當系統有按鍵被按下時,驅動程序先關掉中斷,然后掃描鍵盤,確定哪個鍵按下,鍵盤按下和抬起都有中斷發生,這樣可以為用戶提供按下和抬起標志,以判斷按鍵是單鍵按下還是多鍵齊按。在消抖處理和組合鍵子模塊中,加入Linux內核定時器,鍵盤定時掃描,消除抖動得到穩定鍵值。重復按鍵子模塊是根據Linux內部的定時器,設置自動重復開始延時和自動重復延時,鍵盤按下后根據延時來完成按鍵事件,鍵值存入隊列供應用程序讀取。

圖2 Linux鍵盤驅動工作流程

3 Qt/Embedded鍵盤輸入策略

3.1 Qt/Embedded架構簡介

Q t/Embedded Linux應用程序需要一個正在運行著的服務器應用或者是本身就是一個服務器應用程序。任何一個Q t/Embedded Linux應用程序都可以扮演服務器的角色。當多于一個應用程序運行的時候,應用程序作為客戶端與服務器程序相連接。

服務器進程和客戶端進程有不同的分工:服務器進程管理著鼠標指針的處理、字符的輸入和屏幕的輸出。另外服務器還控制著屏幕光標的輸出和屏幕保護程序。客戶端進程完成所有應用程序的具體操作。一個QWSServer類的實例代表一個服務器應用,一個QWSClient類的實例代表著一個客戶端應用。每一方面都有一些類完成各種操作。

所有系統產生的事件包括鍵盤事件和鼠標事件都被傳遞到服務器應用中,然后服務器將這些事件分發到客戶端應用中。

3.2 客戶端/服務器的通信

如圖3所示,正在運行著的程序通過增加和刪除窗口不斷地改變屏幕的顯示。服務器在對應的QWSWindow對象中維護著每一個頂層窗口的信息。每當服務器接收到一個事件時,它都會查詢它的頂層窗口列表找到包含該事件位置的窗口。每一個窗口都有一個創建它們的客戶端應用的ID,將這個ID返回給服務器。最后服務器將這個事件封裝成一個QWSEvent類的實例,傳遞給相應的客戶端。

圖3 客戶端/服務器模型

另外還可以通過QWSServer::KeyboardFilter類實現按鍵事件的全局的底層過濾器。這種方法可以實現電源管理中的一鍵掛起,而不用在所有的應用程序中都對這個按鍵事件進行過濾。

如圖4所示,服務器通過UNIX域套接字與客戶端進行通信。客戶端從服務器接收事件,這些事件通過重新實現QApplication的qwsEvent Filter()函數可以被直接檢索訪問。

圖4 服務器與客戶端的通信

客戶端相互之間(和服務器)通過QCopChannel類通信。QCOP用于在多個通道間傳送信息,是一個多對多的通信協議。每個通道用名字作為識別ID,任何一個想要和它通信的通道都能監聽它。QCOP協議既允許在相同的地址空間內的客戶端之間進行通信,也允許在不同的進程的客戶端之間進行通信。

3.3 字符輸入層

如圖5所示,當一個服務器應用程序開始運行時使用Qt的插件系統加載鍵盤驅動,驅動是一個QWSKeyboardHandler類的實例。

圖5 鍵盤插件工作過程

鍵盤驅動從設備接收鍵盤事件,并把事件封裝成一個QWSEvent類的實例,然后把這個類傳送給服務器。定制鍵盤可以通過子類QWSKeyboard Handler類創建一個鍵盤驅動插件來實現。默認的QKbdD riverFactory類將自動檢測到這個插件然后把驅動加載到正在運行的服務器應用中。

4 鍵盤驅動插件的實現

本文通過Qt的插件系統實現了矩陣鍵盤的接口驅動。插件是一種遵循一定規范的應用程序接口編寫出來的程序。在現代計算機語言中,應用環境復雜多變,常常要面臨著適應這樣那樣的未知需求的挑戰,為了使程序設計語言具有良好的可擴展性,使之能夠適應復雜的應用環境,同時也出于降低設計復雜性的考慮,采用插件機制是一個很不錯的方法。通過采用插件系統,把擴展功能從框架中剝離出來,可以降低框架的復雜度,讓框架更容易實現。擴展功能與框架之間以一種松耦合的方式集成,允許在保持接口不變的情況下,實現彼此的獨立變化[4]。

Qt提供了兩種插件:一種是高層的插件,用來擴展Qt自身,如自定義數據庫驅動、圖像格式、文本編解碼器、自定義風格等;一種是底層的插件,用來擴展Q t應用程序[5]。

一個鍵盤插件的實現,通常至少需要兩個類:一個是插件封裝器類,它實現了插件的通用API函數;另外一個是一個或多個處理器類,每個處理器類都實現了一種用于特殊類型插件的API。通過封裝器類才能訪問這些處理器類。下面是具體的實現過程:

首先要實現一個自己的M yKeyDriverPlugin類,這個類繼承了QKbdDriverPlugin類,需要重新實現QKbd-D riverPlugin::keys()函數和QKbdDriverPlugin::create()函數。

keys()函數返回一個鍵盤插件的鍵值,這個鍵值不能和其他的鍵值相沖突。create()函數返回一個給定鍵值的

在.cpp文件的最后,必須添加一個下面這樣的宏:Q_EXPORT_PLUGIN 2(keyboard,MyKeyDriverPlugin)

第一個參數項是目標庫名字去除任意擴展符、前綴或者版本號之后的基本名。第二個參數則是插件的類名。

第二個要實現的類是處理類M yKeyboardHandler,這個類需要繼承QWSKeyboard Handler類。當鍵盤驅動捕獲到鍵盤數據時,系統會通過套接字監聽鍵盤信息,并在Mykeyboard Hand ler::readKbdData()中對捕捉到的掃描數據進行處理并封裝,然后向服務器端發送鍵盤事件。

①打開鍵盤設備并初始化,一般調用open()函數。kbdFd=::open(device.toLocal8Bit().constData(),O_RDONLY,0);

②監控鍵盤設備,調用QScoketNotifier監控鍵盤設備kbdFd。