一個(gè)嵌入式Linux系統的鍵盤(pán)驅動(dòng)實(shí)現

1引言

Linux由于其具有內核強大且穩定，易于擴展和裁減，豐富的硬件支持等諸多優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統中得到了廣泛的應用。很多嵌入式Linux系統，特別是一些具有與用戶(hù)強交互的嵌入式系統，往往需要配備一個(gè)特殊鍵盤(pán)，此時(shí)開(kāi)發(fā)者需要根據實(shí)際情況，為自己的特殊鍵盤(pán)編寫(xiě)驅動(dòng)程序。

2Linux鍵盤(pán)驅動(dòng)簡(jiǎn)介

Linux中的大多數驅動(dòng)程序都采用了層次型的體系結構，鍵盤(pán)驅動(dòng)程序也不例外。在Linux中，鍵盤(pán)驅動(dòng)被劃分成兩層來(lái)實(shí)現。其中，上層是一個(gè)通用的鍵盤(pán)抽象層，完成鍵盤(pán)驅動(dòng)中不依賴(lài)于底層具體硬件的一些功能，并且負責為底層提供服務(wù)；下層則是硬件處理層，與具體硬件密切相關(guān)，主要負責對硬件進(jìn)行直接操作。鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的上層公共部分都在driver/keyboard。c中。該文件中最重要的就是內核用EXPORT_SYMBOL這個(gè)宏導出的handle_scancode函數。handle_scancode完成的功能是：首先將掃描碼轉換成鍵碼，接著(zhù)根據shift，alt等擴展鍵的按下情況將鍵碼轉換成目標碼，一般情況下是ASCII碼，最后將該ASCII碼放到終端設備的緩沖區中，并且調度一個(gè)tasklet負責將其在顯示器上回顯出來(lái)?？梢钥闯?，這個(gè)函數完成的是鍵盤(pán)驅動(dòng)程序中最核心的一些工作，而這些核心的邏輯功能是不依賴(lài)于底層硬件的，所以可以將其獨立出來(lái)，并且導出給底層的硬件處理函數調用。在這個(gè)文件中還定義了其它幾個(gè)回調函數，它們由鍵盤(pán)驅動(dòng)程序中的上層公共部分調用，并由底層硬件處理函數實(shí)現。比如kbd_init_hw，kbd_translate，kbd_unexpected_up等等。其中kbd_translate由handle_scancode調用，負責將掃描碼轉換成鍵碼；鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的底層硬件處理部分則根據不同的硬件有不同的實(shí)現。例如PC平臺上標準鍵盤(pán)的底層硬件處理函數都集中在driver/Pc_keyb。c中。這個(gè)文件包括了鍵盤(pán)中斷處理函數keyboard_interrupt，掃描碼到鍵碼轉換函數pckbd_translate等其他一些與底層硬件密切相關(guān)的函數。

在這種體系結構下，要添加一塊特殊鍵盤(pán)到系統中就顯得格外清晰。開(kāi)發(fā)者只需為其編寫(xiě)驅動(dòng)程序中的底層硬件處理函數，就可以將該鍵盤(pán)驅動(dòng)起來(lái)。一般說(shuō)來(lái)，底層硬件處理函數中最重要的工作就是在鍵盤(pán)中斷處理中獲取被按下鍵的掃描碼，并且以它為參數調用handle_scancode，該掃描碼可以自己定義，但它必須唯一地標識出被按下鍵在鍵盤(pán)上的位置。此外，開(kāi)發(fā)者還需要提供對應的從自定義掃描碼到鍵碼的轉換函數kbd_translate。具體的鍵碼轉換，將目標碼放到終端的輸入緩沖區，以及回顯等工作都由handle_scancode負責完成。在此我們也可以看出，內核導出函數handle_scancode在整個(gè)鍵盤(pán)驅動(dòng)程序中，起著(zhù)將上層通用抽象層和底層硬件處理層粘和起來(lái)的關(guān)鍵作用。

3應用實(shí)例

下面我們將以一個(gè)具體的應用實(shí)例來(lái)說(shuō)明在嵌入式Linux系統中給一個(gè)特殊鍵盤(pán)編寫(xiě)驅動(dòng)程序的具體過(guò)程。

3。1硬件模塊描述

本系統的構建選用了三星公司的S3C2410開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺。特殊鍵盤(pán)的硬件模塊主要由兩個(gè)SN74hc164芯片和一個(gè)4行16列的矩陣掃描電路構成。SN74hc164是一個(gè)8位的串形輸入并形輸出移位寄存器，它的內部由8個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)而成。其工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)是這樣的，SN74hc164芯片在時(shí)鐘CLK脈沖的上升沿將A，B引腳上的串形輸入在8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后并行輸出到輸出引腳QA到QH。其真值表見(jiàn)圖1所示。

兩個(gè)SN74hc164芯片先串聯(lián)后，將它們的CLK引腳和CLR引腳分別接到S3C2410開(kāi)發(fā)板的GPB2和GPB4端口上，并且將第一個(gè)SN74hc164芯片的A，B引腳接到開(kāi)發(fā)板的GPB1端口上，這三個(gè)GPIO端口配置成輸出端口。這樣我們就借助于兩個(gè)SN74hc164寄存器，實(shí)現了只占用3個(gè)GPIO端口，給矩陣掃描電路的16列提供輸入，從而既節約了成本，又避免了GPIO資源的浪費。但這同時(shí)也給鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的實(shí)現帶來(lái)了一定的麻煩，驅動(dòng)程序首先要將SN74hc164驅動(dòng)起來(lái)，然后才能對矩陣電路的16列進(jìn)行控制。該矩陣電路的4個(gè)行引腳分別被接到S3C2410的GPG6，GPG7，GPG8，GPG9端口上，并且這四個(gè)端口被配置成中斷源。無(wú)鍵按下時(shí)直接讀為高電位，使用時(shí)通過(guò)SN74hc164芯片先將鍵盤(pán)的16列置低電位，任何一個(gè)鍵被按下，相應的行GPG端口就會(huì )有從高到低的電壓跳變，從而觸發(fā)一次中斷。

3。2軟件模塊描述

初始化部分。這部分包括硬件層和軟件層上的初始化。在本例中，需要先對矩陣電路和SN74hc164芯片所使用到的GPIO端口作配置，以使CPU可以對它們進(jìn)行控制和訪(fǎng)問(wèn)。為了要將某個(gè)GPIO端口配置成輸入輸出或者是中斷源，需要在對應的GPIO控制寄存器中設置正確的值，具體的值可以通過(guò)查閱S3C2410開(kāi)發(fā)板手冊來(lái)獲得。比如，為了將GPB1設置成SN74hc164的輸入端，需要將GPBCON這個(gè)控制字中2，3兩位設置成二進(jìn)制的01，為了將GPG6設置成電壓低跳變中斷源，需要將GPGCON中12，13兩位設置成二進(jìn)制的10。在完成了硬件初始化操作以后，就是軟件層上的初始化了。首先將鍵盤(pán)中斷處理函數注冊到系統，然后設置好一個(gè)定時(shí)器結構，以便在中斷發(fā)生時(shí)將其掛到內核的定時(shí)器隊列中去，該定時(shí)器將觸發(fā)對鍵盤(pán)的掃描操作。最后通過(guò)SN74hc164將矩陣電路的16列置零。

中斷處理部分。如前所述，這部分軟件應該完成的工作就是掃描特殊鍵盤(pán)，確定哪個(gè)鍵被按下，并且拿到穩定的掃描碼，然后調用內核導出函數handle_scancode。在這個(gè)應用中，該特殊鍵盤(pán)的布局與PC標準鍵盤(pán)的布局比較相似，所以我們直接將PC鍵盤(pán)上對應鍵的系統掃描碼作為我們特殊鍵盤(pán)上各個(gè)鍵的掃描碼，同時(shí)我們將PC鍵盤(pán)驅動(dòng)程序中掃描碼到鍵碼的轉換函數pckbd_translate作為我們的kbd_translate函數。

確定哪一個(gè)鍵被按下的算法如下。在中斷到來(lái)時(shí)，我們已經(jīng)可以根據中斷號確定被按下的鍵在哪一行，我們還需要確定被按下的鍵在哪一列。為此，我們先給串聯(lián)的兩個(gè)SN74hc164芯片送一個(gè)CLR信號，清零，然后送16個(gè)1，使得特殊鍵盤(pán)的列均為高電位，此時(shí)我們在鍵盤(pán)的行端口讀到的都是高電位。在16個(gè)時(shí)鐘脈沖下，給SN74hc164芯片送入1個(gè)0和15個(gè)1，使得0在每一列上都唯一出現一次，于此同時(shí)在鍵盤(pán)行端口進(jìn)行掃描。當被按下鍵所在列置0時(shí)，其所在行就會(huì )讀到一個(gè)低電位。使用這種“走0法”，我們就可以確定出鍵盤(pán)上哪個(gè)鍵被按下了。但是這種簡(jiǎn)單的掃描算法還不夠，因為在這種類(lèi)型的矩陣掃描鍵盤(pán)中，鍵的每次按下和抬起都會(huì )有10~20ms（這段時(shí)間的長(cháng)短由硬件特性決定）的毛刺抖動(dòng)存在，如圖2所示，所以為了獲取穩定的按鍵信息，必須要想辦法去掉這種抖動(dòng)，才能避免將用戶(hù)的一次按鍵誤當作幾次按鍵來(lái)處理。去毛刺的一種常見(jiàn)的方法是在有鍵盤(pán)中斷到達時(shí)，并不立即去掃描鍵盤(pán)，而是先等待一段時(shí)間，等跳過(guò)毛刺抖動(dòng)以后再去掃描鍵盤(pán)，其偽代碼如下所示：

等待一段時(shí)間，跳過(guò)抖動(dòng)；

掃描鍵盤(pán)；

if鍵盤(pán)上沒(méi)有鍵被按下

結束返回；

if鍵盤(pán)上有鍵被按下

再次等待一段時(shí)間然后檢查同樣的鍵是否依然處于被按下?tīng)顟B(tài)；

if同樣的鍵任然是按下

將讀到的掃描碼返回；

else

直接返回；

這種解決方案固然可行，但是它使用了忙等的方法去毛刺，在忙等期間，系統做不了任何有用的工作。這對于計算資源本身就很有限的嵌入式Linux系統來(lái)說(shuō)，是一種奢侈的浪費。本應用中，我們設計了一種適合嵌入式系統的去毛刺解決方案，使用效果良好。

由于Linux內核提供了定時(shí)器隊列，所以我們可以使用這種機制來(lái)避免忙等，提高系統的性能。當鍵盤(pán)上有鍵被按下時(shí)，鍵盤(pán)中斷處理程序首先關(guān)閉中斷源，進(jìn)入輪詢(xún)模式，將一個(gè)timerlist對象掛入定時(shí)器隊列以后就結束了。掛入內核的定時(shí)器按時(shí)地被觸發(fā)，它所觸發(fā)的函數完成以下一些工作：先對整個(gè)鍵盤(pán)上所有的鍵進(jìn)行一次掃描，并且將掃描得到的結果保存到一個(gè)靜態(tài)2維數組變量snap_shot_matrix[16][4]中。該變量描述的是在本次鍵盤(pán)掃描的這個(gè)時(shí)刻，鍵盤(pán)上所有鍵的按下情況。如果某個(gè)鍵沒(méi)有被按下，即處于松開(kāi)狀態(tài)，那么將snap_shot_matrix中對應的值置為0，如果某個(gè)鍵處于按下?tīng)顟B(tài)，那么將snap_shot_matrix中對應的值作自增1操作，若該值在自增1以后大于某個(gè)預先指定的數，我們就可以認為這是一個(gè)穩定值，并且將另一個(gè)大小為16*4的2維數組變量current_matrix對應坐標中的值置1，否則置0。這個(gè)變量描述的就是當前鍵盤(pán)上按鍵情況的穩定值了。也就是說(shuō)我們首先把在本次掃描中得到的采樣數據作處理以后保存到snap_shot_matrix中，然后依據該變量中的值，過(guò)濾得到current_matrix，通過(guò)這樣一個(gè)過(guò)程來(lái)做去毛刺處理。在得到了本次掃描的穩定值current_matrix以后，我們將其與上次得到的穩定值previous_matrix作比較，從而確定與上次掃描時(shí)相比，此刻鍵盤(pán)上的按鍵情況是否發(fā)生了變化，以及此刻鍵盤(pán)上是否有鍵按下。如果發(fā)現鍵盤(pán)上沒(méi)有任何鍵被按下，則打開(kāi)鍵盤(pán)中斷，再次切回到中斷模式。如果鍵盤(pán)上有鍵被按下，并且是不同于上次掃描到的被按下鍵，我們立刻調用按鍵處理函數process_key，它會(huì )調用鍵盤(pán)驅動(dòng)中的上層函數handle_scancode。如果鍵盤(pán)上按下的鍵就是上次按下的那個(gè)鍵，我們將遞增一個(gè)計數器，當這個(gè)計數器達到某個(gè)指定值以后，我們就啟動(dòng)所謂的Autorepeat功能，即用戶(hù)一直按著(zhù)某個(gè)鍵，驅動(dòng)程序自動(dòng)重復產(chǎn)生鍵盤(pán)輸入。該計數器在被按下鍵發(fā)生變化時(shí)置0。但是只要鍵盤(pán)上仍然有鍵處于被按下?tīng)顟B(tài)，我們就將當前讀到的鍵盤(pán)穩定值current_matrix拷貝到previous_matrix中去，并且再次將前面描述的定時(shí)器對象掛到內核定時(shí)器隊列中，過(guò)一段時(shí)間以后再次掃描整個(gè)鍵盤(pán)，直至鍵盤(pán)上沒(méi)有鍵被按下。

4結束語(yǔ)

隨著(zhù)信息社會(huì )以及計算機軟硬件技術(shù)的進(jìn)步，嵌入式信息產(chǎn)品的設計和應用得到了迅速的發(fā)展，需要為自己的嵌入式Linux系統添加特殊鍵盤(pán)驅動(dòng)的需求也越來(lái)越普遍。本文在介紹了Linux中鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的整體框架以后，以S3C2410開(kāi)發(fā)板上的一個(gè)特殊鍵盤(pán)為例子，重點(diǎn)描述了在嵌入式Linux環(huán)境下，為特殊鍵盤(pán)編寫(xiě)驅動(dòng)程序時(shí)需要完成的工作，為類(lèi)似的開(kāi)發(fā)提供了一種思路和參考。