基于嵌入式 Linux的鍵盤(pán)驅動(dòng)設計

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鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的設計

隨著(zhù)電子信息技術(shù)飛速發(fā)展,嵌入式系統構成的各種設備得到了廣泛的應用, 嵌入式 Linux是一種開(kāi)放源碼、 軟實(shí)時(shí)、 多任務(wù)的操作系統,是開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作系統平臺,其中鍵盤(pán)是人機界面中人類(lèi)監控計算機重要數據輸入設備。實(shí)現鍵盤(pán)有兩種方法:一種是采用現有的一些芯片實(shí)現鍵盤(pán)掃描;二是用軟件實(shí)現鍵盤(pán)掃描。目前許多芯片可用來(lái)實(shí)現鍵盤(pán)掃描,但是鍵盤(pán)掃描的軟件實(shí)現方法有助于縮減系統的重復開(kāi)發(fā)成本, 而只需很少的 CPU 開(kāi)銷(xiāo)。嵌入式控制器的功能很強,可以充分利用這一資源。本課題提出的鍵盤(pán)方案是以嵌入式 Linux和 PXA255為軟硬件平臺, 通過(guò)測試,表明其具有良好的穩定性和實(shí)時(shí)性。

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矩陣式鍵盤(pán)的結構與工作原理

本課題采用矩陣鍵盤(pán), 如圖 1所示。四根行線(xiàn)四根列線(xiàn)組成 4 *4矩陣鍵盤(pán), 分別用 CPU 的 4個(gè) GPIO口。當有鍵按下,某個(gè)列 GPI O 口電平被下拉從而產(chǎn)生下降沿, 觸發(fā)中斷。其中按鍵行陣列必須提供上拉信號,列陣列加二極管,防止瞬間電流過(guò)大對 GPI O口造成沖擊。

圖 1
矩陣鍵盤(pán)原理圖.

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Linux鍵盤(pán)驅動(dòng)簡(jiǎn)介

在 Linux中, 鍵盤(pán)驅動(dòng)被劃分成兩層來(lái)實(shí)現。上層是一個(gè)通用鍵盤(pán)抽象層, 下層則是硬件處理層, 主要對硬件進(jìn)行直接的操作。鍵盤(pán)驅動(dòng)程序上層公共部分在 driver /key
board . c里。文件中最重要的是內核用 EXPORT _SYM BOL這個(gè)宏導出的 handle_scancode函數 。在這個(gè)文件中還定義了其它的幾個(gè)回調函數,它們由鍵盤(pán)驅動(dòng)程序中上層公共部分調用, 并且由底層硬件處理函數實(shí)現。鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的底層硬件處理部分則根據不同硬件有不同實(shí)現。

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鍵盤(pán)驅動(dòng)程序的實(shí)現

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宏定義 module init和 module exit

通過(guò)宏定義 module init和module exit可以看出,驅動(dòng)程序的入口從 kd_ctrl_init( )開(kāi)始。當內核模塊加載的時(shí)候, 默認調用 module_ i nit( kd_c trl_init) ,在 kd_ctr l_ i nit( )中將完成一些初始化工作, 主要如下:

( 1) 把 GPI O 口的起始虛擬地址映射到 GPI O _BASE _PHY ( 0x1000b000),數據長(cháng)度為 0x400 :

　　GPI O _ BASE = ( i nt) ioremap ( GPI O _ BASE _ P HY,0x400);

( 2) 利用 requeST_ irq函數將外設的中斷服務(wù)例程掛載到外部中斷處理程序中。本系統中利用 request_irq函數分別為 4個(gè)列 GPI O口申請中斷資源, 分別占用了中斷號 1 、2 、3、 4 。其中 i是中斷號; kd_ctr l_irq是 UCB1400的中斷處理程序, kd_ctr l代表鍵盤(pán)設備名, MAGIC _DEVID是申請時(shí)告訴系統設備標志, 用于共享中斷線(xiàn)。返回值為 0表示申請成功。

( 3) 通過(guò)函數 m isc_reg ister注冊一個(gè)鍵盤(pán)設備, 并分配主設備號和從設備號, 初始化一個(gè)環(huán)形隊列以及定義一個(gè)鍵盤(pán)控制的數據結構。其中包括鍵值、 鍵的狀態(tài)和長(cháng)按標志。

應用程序對設備驅動(dòng)的調用實(shí)際是對相應設備文件進(jìn)行操作, 利用 mknod命令將此節點(diǎn)與對應設備建立聯(lián)系。

( 4) 通過(guò) init_ w a it queue_head( sa ts . read _ w a it)初始化讀信號量。

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打開(kāi)鍵盤(pán)設備

應用程序打開(kāi)設備文件時(shí), 會(huì )調用驅動(dòng)中的 OPEN 函數, 此函數會(huì )對鍵盤(pán)所用到的行列 GPI O 口進(jìn)行配置。打開(kāi)的設備在內 核中通過(guò) file結 構進(jìn)行標識, 內核 使用 file
opreaTI ON ,通過(guò)上面的結構中設備文件操作結構的映射, 來(lái)調用驅動(dòng)中的 kd_c trl_open。接下來(lái)要做的是:

( 1) 通過(guò) se m a_ i n it(  kdc- > irq_w ait , 0)初始化在后面用來(lái)喚醒后臺線(xiàn)程的信號量。

( 2) 調用初始化函數 i n it_pxa_kdc( )來(lái)初始化 GPI O口,具體是把 行!的 GPI O 口設為輸出模式并設定值為 0 , 把列!GPIO口設為中斷模式,下降沿有效。如下所示:

　　re t = se t_kdc_gp i o( KDC_ROW _PINS , 1 , PI NS_MODE _OUT , 0) ;

　　ret = set_kdc_gp i o ( KDC _COL _PI NS , 1 , PI NS _ MODE _FALLI NG_I NTTERUPT , 0);

( 3) 以嚴格的串行方式執行任務(wù)的效率并不高, 如果把它們放在后臺調度,不管是對它們的函數還是對終端用戶(hù)進(jìn)程都能得到較好的響應。所以初始化 GPIO口后,開(kāi)啟一個(gè)內核線(xiàn)程 kd_ctrl_thread專(zhuān)門(mén)用于處理鍵盤(pán)事件, 其實(shí)也就是向系統申請了軟硬件資源。為了確保在該線(xiàn)程創(chuàng )建完成,使用 co m pleti on ,在 Linux內核中, co m pletion是一種簡(jiǎn)單的同步機制,利用 co m pleti on機制可以使兩個(gè)任務(wù)同步。我們利用 i n it_comp l e ti on( kdc- > i n it_ex it)動(dòng)態(tài)初始化一個(gè)線(xiàn)程創(chuàng )建信號量 i n it_ex it , 以及用 wa it_fo r_co m pleti on ( kdc- >i n it_ex it)來(lái)等待進(jìn)程創(chuàng )建完成, 然后在進(jìn)程創(chuàng )建結束后通過(guò)co m plete( kdc- > i nit_ex it)確定事件已經(jīng)完成即后臺線(xiàn)程創(chuàng )建成功, 繼續執行函數 w ait_ for_ comp l e ti on之后的任務(wù)。

通過(guò) ret = kerne l_t h read( kd_c trl_ t hread , kdc , CLONE_FS |CLONE_FILES)創(chuàng )建后臺線(xiàn)程。

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等待鍵盤(pán)事件

后臺線(xiàn)程一旦創(chuàng )建和初始化完成, 就會(huì )進(jìn)入一個(gè)無(wú)條件的 for循 環(huán), 通 過(guò) set _ task _ state ( tsk , TASK _ INTERRUPT
IBLE) 將此線(xiàn)程推入可中斷睡眠的隊列,調用 schedule ti m e
ou t (H Z/100)來(lái)實(shí)現 15毫秒的進(jìn)程掛起。此時(shí)讓出 CPU,直到中斷事件來(lái)臨或睡眠超過(guò)規定時(shí)間后再重新執行。線(xiàn)程一旦被喚醒即按照順序先利用 set_kdc_gp io ( KDC _COL_PI NS , 1 , PI NS _MODE _ENABLEI NTERRUPT, 0) 使 所有列GPI O 口中斷, 接著(zhù)調用 down _ i nterrupti b l e (  kdc- > irq _wa it): 該函數的作用是獲得信號量 irq_wa it , 把 irq_ w a i t的值減掉 1 , 如果信號量 irq_wa it的值非負, 就直接返回,如果獲取失敗鍵盤(pán)線(xiàn)程將以 TASK_I NTERRUPTIBLE狀態(tài)進(jìn)入可中斷睡眠,直到下次鍵盤(pán)事件利用信號量 irq_ w a it喚醒此線(xiàn)程才能繼續運行。因此,驅動(dòng)程序在沒(méi)有按鍵按下時(shí)將阻塞自己的執行,不消耗任何的 CPU資源。

4 . 4
鍵盤(pán)事件發(fā)生

一旦有按鍵事件發(fā)生也就是產(chǎn)生一個(gè)中斷, 則進(jìn)入中斷處理程序 kd_ctr l _ irq( ), 在這個(gè)函數中所做的工作如圖 2。

圖 2
中斷處理程序 kd_ ctrl_irq( )

喚醒后臺線(xiàn)程后,把列 GPI O口中斷禁止, 隨即調用 kd_ctrl_event( )進(jìn)行處理鍵盤(pán)事件。其中又調用 pxa _kdc _scan( )進(jìn)行鍵值的掃描: 設定 4  4小鍵盤(pán)的所有行 GPI O 口為輸出狀態(tài),并設定它的值為 1 ,而所有列 GPIO口作為輸入狀態(tài),然后采用逐行掃描的方法, 依次去讀取四根列 GPI O 口狀態(tài),如果某列 GPIO 口電平為低, 就表示此行此列有鍵按下,根據行號和列號從對應的二維數組 (也就是鍵值映射表 )中找到該鍵 的鍵值。具體 實(shí)現方法 為: 先設第 一行( GPI O7)為 0 , 掃描列的值 ( GPI O3 、 GPI O2 、GPI O1、 GPI O0),如果其中一個(gè)列的值為 0 , 比如 GPI O3 , 則按下的鍵是 Key _5。掃描完列后,把第一行設為 1。第二行設為 0 , 再次掃描所有列 的值。掃描結 束后, 設 定所有 行 ( GPI O7 、GPI O6 、GPI O5 、 GPI O4)的值為 0 , 并且再次恢復所有列為中斷方式,設定下降沿有效。最后返回的是代表按鍵是否按下的參數pressure值。得到此值以后,調用 stati c i n line vo i d kd_c trl_ev t_add( struc t kd_ctrl* kdc , u8 pressure , u8 keyva l ue )函數把所得值保存在對應的結構中,并將其添加到事件隊列中, 最后調用 w ake_up_ i nterrupti ble(  kdc- > read _ w a it)利用信號量 read_ w a it通知 read程序到緩沖區讀取新數據。

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應用程序讀取鍵盤(pán)數據

由于用戶(hù)程序需要不斷輪詢(xún)設備,以查詢(xún)是否有數據讀取, 如果程序不處于休眠狀態(tài), 則將會(huì )占用很多 CPU 的資源。因此當沒(méi)有觸摸數據時(shí), 就阻塞此任務(wù)。此時(shí)用戶(hù)空間則需要和內核同步, 代碼會(huì )需要睡眠, 使用信號量是唯一的選擇, 并且它適用于鎖會(huì )被長(cháng)時(shí)間持有的情況。如果有一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)已經(jīng)被占用的信號量時(shí),信號量會(huì )先將其中推進(jìn)一個(gè)等待隊列, 然后讓其睡眠。這時(shí) CPU 能重獲自由, 從而可以執行其他代碼。當持有信號量的進(jìn)程將信號量釋放時(shí), 處于等待隊列中的那個(gè)任務(wù)將會(huì )被喚醒, 并獲得該信號量。

等待隊列是由等待某些事件發(fā)生的進(jìn)程組成的簡(jiǎn)單鏈表。內核用 w ake_queue_head_t來(lái)表示等待隊列。等待隊列可通過(guò) DECLARE _WAI TQUEUE ( )靜態(tài)創(chuàng )建。一旦上層用戶(hù)程序進(jìn)行讀操作, 系統調用將通過(guò) kd_ctrl_read ( )函數來(lái)實(shí)現。

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模塊卸載

當內核需要卸載本驅動(dòng)程序時(shí), 最后會(huì )從本函數退出。

此時(shí)通過(guò) modul e_ i nit( kd_ctrl_ i n it)函數需要將在驅動(dòng)程序運行期間申請的系統資源全部釋放掉,可以防止資源浪費。

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結束語(yǔ)

本文介紹的嵌入式 Linux的一種矩陣小鍵盤(pán), 成功實(shí)現了多鍵齊按和重復按鍵的功能, 已經(jīng)用于手持嵌入式設備中, 實(shí)驗證明性能穩定可靠。

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