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鍵盤驅動程序的設計

隨著電子信息技術飛速發展,嵌入式系統構成的各種設備得到了廣泛的應用, 嵌入式 Linux是一種開放源碼、 軟實時、 多任務的操作系統,是開發嵌入式產品的優秀操作系統平臺,其中鍵盤是人機界面中人類監控計算機重要數據輸入設備。實現鍵盤有兩種方法:一種是采用現有的一些芯片實現鍵盤掃描;二是用軟件實現鍵盤掃描。目前許多芯片可用來實現鍵盤掃描,但是鍵盤掃描的軟件實現方法有助于縮減系統的重復開發成本, 而只需很少的 CPU 開銷。嵌入式控制器的功能很強,可以充分利用這一資源。本課題提出的鍵盤方案是以嵌入式 Linux和 PXA255為軟硬件平臺, 通過測試,表明其具有良好的穩定性和實時性。

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矩陣式鍵盤的結構與工作原理

本課題采用矩陣鍵盤, 如圖 1所示。四根行線四根列線組成 4 *4矩陣鍵盤, 分別用 CPU 的 4個 GPIO口。當有鍵按下,某個列 GPI O 口電平被下拉從而產生下降沿, 觸發中斷。其中按鍵行陣列必須提供上拉信號,列陣列加二極管,防止瞬間電流過大對 GPI O口造成沖擊。

圖 1
矩陣鍵盤原理圖.

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Linux鍵盤驅動簡介

在 Linux中, 鍵盤驅動被劃分成兩層來實現。上層是一個通用鍵盤抽象層, 下層則是硬件處理層, 主要對硬件進行直接的操作。鍵盤驅動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這個宏導出的 handle_scancode函數 。在這個文件中還定義了其它的幾個回調函數,它們由鍵盤驅動程序中上層公共部分調用, 并且由底層硬件處理函數實現。鍵盤驅動程序的底層硬件處理部分則根據不同硬件有不同實現。

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鍵盤驅動程序的實現

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宏定義 module init和 module exit

通過宏定義 module init和module exit可以看出,驅動程序的入口從 kd_ctrl_init( )開始。當內核模塊加載的時候, 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代表鍵盤設備名, MAGIC _DEVID是申請時告訴系統設備標志, 用于共享中斷線。返回值為 0表示申請成功。

( 3) 通過函數 m isc_reg ister注冊一個鍵盤設備, 并分配主設備號和從設備號, 初始化一個環形隊列以及定義一個鍵盤控制的數據結構。其中包括鍵值、 鍵的狀態和長按標志。

應用程序對設備驅動的調用實際是對相應設備文件進行操作, 利用 mknod命令將此節點與對應設備建立聯系。

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

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打開鍵盤設備

應用程序打開設備文件時, 會調用驅動中的 OPEN 函數, 此函數會對鍵盤所用到的行列 GPI O 口進行配置。打開的設備在內 核中通過 file結 構進行標識, 內核 使用 file
opreaTI ON ,通過上面的結構中設備文件操作結構的映射, 來調用驅動中的 kd_c trl_open。接下來要做的是:

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

( 2) 調用初始化函數 i n it_pxa_kdc( )來初始化 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進程都能得到較好的響應。所以初始化 GPIO口后,開啟一個內核線程 kd_ctrl_thread專門用于處理鍵盤事件, 其實也就是向系統申請了軟硬件資源。為了確保在該線程創建完成,使用 co m pleti on ,在 Linux內核中, co m pletion是一種簡單的同步機制,利用 co m pleti on機制可以使兩個任務同步。我們利用 i n it_comp l e ti on( kdc- > i n it_ex it)動態初始化一個線程創建信號量 i n it_ex it , 以及用 wa it_fo r_co m pleti on ( kdc- >i n it_ex it)來等待進程創建完成, 然后在進程創建結束后通過co m plete( kdc- > i nit_ex it)確定事件已經完成即后臺線程創建成功, 繼續執行函數 w ait_ for_ comp l e ti on之后的任務。

通過 ret = kerne l_t h read( kd_c trl_ t hread , kdc , CLONE_FS |CLONE_FILES)創建后臺線程。

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等待鍵盤事件

后臺線程一旦創建和初始化完成, 就會進入一個無條件的 for循 環, 通 過 set _ task _ state ( tsk , TASK _ INTERRUPT
IBLE) 將此線程推入可中斷睡眠的隊列,調用 schedule ti m e
ou t (H Z/100)來實現 15毫秒的進程掛起。此時讓出 CPU,直到中斷事件來臨或睡眠超過規定時間后再重新執行。線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,如果獲取失敗鍵盤線程將以 TASK_I NTERRUPTIBLE狀態進入可中斷睡眠,直到下次鍵盤事件利用信號量 irq_ w a it喚醒此線程才能繼續運行。因此,驅動程序在沒有按鍵按下時將阻塞自己的執行,不消耗任何的 CPU資源。

4 . 4
鍵盤事件發生

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

圖 2
中斷處理程序 kd_ ctrl_irq( )

喚醒后臺線程后,把列 GPI O口中斷禁止, 隨即調用 kd_ctrl_event( )進行處理鍵盤事件。其中又調用 pxa _kdc _scan( )進行鍵值的掃描: 設定 4  4小鍵盤的所有行 GPI O 口為輸出狀態,并設定它的值為 1 ,而所有列 GPIO口作為輸入狀態,然后采用逐行掃描的方法, 依次去讀取四根列 GPI O 口狀態,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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應用程序讀取鍵盤數據

由于用戶程序需要不斷輪詢設備,以查詢是否有數據讀取, 如果程序不處于休眠狀態, 則將會占用很多 CPU 的資源。因此當沒有觸摸數據時, 就阻塞此任務。此時用戶空間則需要和內核同步, 代碼會需要睡眠, 使用信號量是唯一的選擇, 并且它適用于鎖會被長時間持有的情況。如果有一個任務試圖獲得一個已經被占用的信號量時,信號量會先將其中推進一個等待隊列, 然后讓其睡眠。這時 CPU 能重獲自由, 從而可以執行其他代碼。當持有信號量的進程將信號量釋放時, 處于等待隊列中的那個任務將會被喚醒, 并獲得該信號量。

等待隊列是由等待某些事件發生的進程組成的簡單鏈表。內核用 w ake_queue_head_t來表示等待隊列。等待隊列可通過 DECLARE _WAI TQUEUE ( )靜態創建。一旦上層用戶程序進行讀操作, 系統調用將通過 kd_ctrl_read ( )函數來實現。

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模塊卸載

當內核需要卸載本驅動程序時, 最后會從本函數退出。

此時通過 modul e_ i nit( kd_ctrl_ i n it)函數需要將在驅動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

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

linux操作系統文章專題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）