基于嵌入式Linux系統(tǒng)的鍵盤驅動設計

徐德龍，余瑾

（北京郵電大學，北京100876）

引 言

隨著微處理器技術的不斷發(fā)展和數(shù)字化產品的普及，嵌入式系統(tǒng)的研究開發(fā)逐漸成為熱點，Linux也以其開源、穩(wěn)定、可裁剪的優(yōu)勢成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流。在眾多的嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤成為一種應用最為廣泛的輸入設備。然而，嵌入式設備的功能差異性又決定了為其提供一種通用性鍵盤是不可行的，往往需要根據(jù)系統(tǒng)的實際功能設計所需的特殊鍵盤，并實現(xiàn)相應的驅動程序。

S3C6410是三星公司高性能的32位RISC微處理器，內部集成了多種強大的硬件加速器，適合進行視頻和圖像處理，成為了目前嵌入式處理器領域的主流產品。本文以在S3C6410微處理器基礎上實現(xiàn)一個24鍵矩陣鍵盤為例，呈現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)設備驅動程序的整體流程，并對Linux系統(tǒng)下輸入事件的底層傳遞機制進行了研究和分析。

1 接口電路的設計

在嵌入式設備上擴展鍵盤的常用方式是通過對CPU的GPIO 端口進行掃描實現(xiàn)的，顯然這種方式在鍵盤按鍵數(shù)目較多的情況下，會占用過多的GPIO 資源，增加了GPIO 端口資源較為緊張的嵌入式處理器的負擔。

本系統(tǒng)的硬件設計通過增加3 片SN74HC164 芯片來達到節(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，它的內部由8個D 觸發(fā)器串聯(lián)而成。每當時鐘信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，兩個輸入端將當前輸入信號傳送到并行輸出端，并實現(xiàn)移位操作。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

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

圖1 硬件原理圖

2 掃描工作原理

擴展硬件電路的同時給鍵盤驅動程序的實現(xiàn)帶來了一定的麻煩，驅動程序首先要將SN74HC164 驅動起來，然后才能對電路進行控制。該電路的輸出引腳被接到S3C6410的GPE2端口上，并且這個端口被配置成中斷源，無鍵按下時直接讀為高電位。鍵盤掃描時通過SN74HC164芯片先將鍵盤的24個鍵置低電平，任何一個鍵被按下，GPE2端口就會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SN74HC164芯片發(fā)送24個高電平信號，使得鍵盤的各鍵位均為高電平。在隨后的24 個時鐘脈沖下，給SN74HC164芯片送入1個0和23個1，使得0在每個鍵位的輸入端都只出現(xiàn)一次，同時在GPE2端口進行掃描。當被按下鍵處于0輸入狀態(tài)時，其所在行就會讀到一個低電平，也就可以確定出鍵盤上哪個鍵被按下了。

3 驅動模塊結構

在Linux2.6的版本中新加入了input子系統(tǒng)，給驅動編寫者提供了一個完整的輸入事件——從底層設備傳遞到用戶進程的模型。本文基于input子系統(tǒng)架構，設計了一個較為完善的特殊鍵盤驅動模塊。鍵盤驅動模塊結構如圖2所示。

圖2 鍵盤驅動模塊結構

在input子系統(tǒng)的設備內核模型中，最重要的數(shù)據(jù)結構體是struct input＿dev，作為驅動的主體，每個struct input＿dev代表一個輸入設備。該結構體中既包含了設備所能響應的輸入事件類型、響應按鍵種類、鍵盤碼表，以及坐標范圍等字段，同時還包含了設備打開、關閉以及回調函數(shù)等字段，能夠完整地記錄和標識整個設備的功能與行為。在向內核注冊input＿dev之前，需要進行input＿dev結構的初始化，同時向內核申請鍵盤中斷。

首先設置輸入設備的功能，input＿set＿capability（＆sim＿key，EV＿KEY，KEY＿A）函數(shù)完成鍵盤A 鍵的輸入使能，類似可完成B～X 共24個按鍵的輸入使能。然后設置鍵盤的碼表。該鍵盤包含20個按鍵，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，KEY＿N，KEY＿O，KEY＿P，KEY＿Q，KEY＿R，KEY＿S，KEY＿T，KEY＿U，KEY＿V，KEY＿W，KEY＿X｝。當相應鍵按下時，碼表中的鍵值將被作為鍵盤碼上報到用戶空間的進程。初始化工作完成之后，調用函數(shù)input＿register＿device（＆sim＿kb）向內核注冊輸入設備。

由于鍵盤設備的輸入是異步的，可能會在任何時間得到按鍵事件，所以需向內核申請中斷以保證對鍵盤輸入的實時響應。中斷函數(shù)完成鍵盤的掃描操作，并上報輸入事件到用戶進程，是整個驅動模塊的功能主體。然而使用中斷會遇到一個問題，在鍵盤的掃描過程中，按鍵的每次按下和抬起都會有10～20ms的毛刺抖動存在，會將用戶的一次按鍵操作誤當作幾次按鍵來處理。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。去毛刺的一種常見的方法是在注冊輸入設備時定義一個定時器timer，當觸發(fā)中斷時先關閉I／O 中斷，然后啟動定時器，等跳過毛刺抖動以后再去調用掃描程序得到鍵值，并重新打開中斷。按鍵事件被發(fā)送到input子系統(tǒng)核心后通知給用戶進程，從而實現(xiàn)查鍵過程。

4 基于input子系統(tǒng)的事件傳遞機制

實現(xiàn)底層驅動程序與用戶進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，其實現(xiàn)機制如下。

Linux系統(tǒng)在啟動過程中會向系統(tǒng)核心注冊input＿handler，一般將其稱為handler處理器，表示對輸入事件的具體處理，input＿handler為輸入設備的功能實現(xiàn)了一個接口。在執(zhí)行input＿register＿device注冊輸入設備的時候，會自動將input＿dev結構與系統(tǒng)中已注冊的input＿handler進行遍歷匹配。與對應的input＿handler成功匹配后，Linux內核自動創(chuàng)建evdev結構體來表示輸入事件設備，該結構中包含了input＿handle等字段，作為連接input＿dev與input＿handler的媒介。其中Linux內核中與鍵盤設備匹配的input＿handler代碼為：

evdev＿event函數(shù)為事件處理函數(shù)，輸入設備所上報的事件通過evdev＿handler中的evdev＿event函數(shù)包裝成input＿event標準輸入格式，并存放在evdev下的evdev＿list緩沖區(qū)中，該結構代碼如下：

用戶進程讀取鍵盤事件時即會按照此種特定格式進行。值得注意的是，當讀取事件為鼠標輸入時，需要先后讀取X 軸坐標和Y 軸坐標兩種數(shù)據(jù)，以完成完整的讀取操作。

在Linux系統(tǒng)中，所有的外設都是通過虛擬文件系統(tǒng)向應用程序提供接口，所以每個具有獨立功能的外設在Linux系統(tǒng)中都對應著相應的設備文件。同時，在內核中代表設備文件的結構體包含了實現(xiàn)該設備功能的特定操作函數(shù)。

完成驅動模塊的安裝之后，Linux系統(tǒng)會在／dev目錄下自動創(chuàng)建輸入事件設備文件，本文中該設備名為event0。用戶進程打開對應的輸入事件設備文件event0，即可執(zhí)行相應的文件操作，如read、ioctl等。文件操作函數(shù)最終要進入內核，并調用存儲在事件設備結構體中的evdev＿handler.evdev＿fops操作函數(shù)集完成對應的文件操作。

例如用戶進程在執(zhí)行read 操作時，會調用內核中evdev＿fops-＞evdev＿read函數(shù)，先判斷當前輸入事件設備緩沖區(qū)中是否有待讀取的input＿event事件。若緩沖區(qū)中無按鍵事件，進程則放入等待隊列進行睡眠，直到有按鍵事件產生并保存到緩沖區(qū)后，將睡眠進程喚醒，調用copy＿to＿user復制函數(shù)完成輸入事件從內核空間到用戶空間的拷貝，從而實現(xiàn)讀取操作。

結 語

通過以上分析可以得出，鍵盤設備所產生的輸入事件以input子系統(tǒng)為傳遞介質，并通過虛擬文件系統(tǒng)接口得以通知用戶進程。本文從鍵盤的驅動開發(fā)出發(fā)，呈現(xiàn)了較為完整的輸入事件由內核空間傳遞到用戶空間進程的過程，對于驅動開發(fā)者了解底層驅動的機制和更加有效地設計驅動模塊有著較為重要的意義。經過測試，該鍵盤具有良好的響應特性，并實現(xiàn)了所預期的功能。

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