基于嵌入式Linux的鍵盤驅動設計

摘要：提出一種基于嵌入式Linux的矩陣鍵盤實現方案，介紹矩陣式鍵盤的結構與工作原理。課題以IntelPXA255處理器和嵌入式Linux2.4. 19操作系統(tǒng)為基礎，對人機交互接口設備驅動程序的設計開發(fā)做了深入的研究，針對嵌入式系統(tǒng)的鍵盤驅動的特點，設計基于行列掃描的鍵盤驅動程序。
關鍵詞：矩陣鍵盤；嵌入式linux；鍵盤驅動程序

1 鍵盤驅動程序的設計
    隨著電子信息技術飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)，是開發(fā)嵌入式產品的優(yōu)秀操作系統(tǒng)平臺，其中鍵盤是人機界面中人類監(jiān)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(tǒng)的重復開發(fā)成本，而只需很少的CPU開銷。嵌入式控制器的功能很強?？梢猿浞掷眠@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(wěn)定性和實時性。

2 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4x4矩陣鍵盤，分別用CPU的4個GPIO口。當有鍵按下，某個列GPIO口電平被下拉從而產生下降沿，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，防止瞬間電流過大對GPIO口造成沖擊。



3 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／keyboard．c里。文件中最重要的是內核用EXPORT_SYMBOL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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4 鍵盤驅動程序的實現
4．1 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_ jnit(kd_ctrl_init)，在kd_ctrl_init()中將完成一些初始化工作，主要如下：
    (1)把GPIO口的起始虛擬地址映射到GPIO_BASE_PHY(0x1000b000)，數據長度為0x400：
    GPIO_BASE=(int)ioremap(GPIO_BASE_PHY，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(tǒng)中利用request_irq函數分別為4個列GPIO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_ctrl_irq是UCB1400的中斷處理程序，kd_ctrl代表鍵盤設備名，MAGIC_DEVID是申請時告訴系統(tǒng)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misc_register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(huán)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(tài)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(jié)點與對應設備建立聯(lián)系。
    (4)通過init_waitqueue_head(&sats．read_wait)初始化讀信號量。
4．2 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GPIO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fileopreation，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_ctrl_open。接下來要做的是：
    (1)通過sema_init(&kdc->irq_wait，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init_pxa_kdc()來初始化GPIO口，具體是把“行”的GPIO口設為輸出模式并設定值為O，把“列”GPIO口設為中斷模式，下降沿有效。如下所示：
  
  
    (3)以嚴格的串行方式執(zhí)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(tǒng)申請了軟硬件資源。為了確保在該線程創(chuàng)建完成，使用 completion，在Linux內核中，completion是一種簡單的同步機制，利用completion機制可以使兩個任務同步。我們利
用init_completion(&kdc->init_exit)動態(tài)初始化一個線程創(chuàng)建信號量init_exit，以及用 wait_for_completion(&kdc->init_exit)來等待進程創(chuàng)建完成，然后在進程創(chuàng)建結束后通過 complete(&kdc->init_exit)確定事件已經完成即后臺線程創(chuàng)建成功，繼續(xù)執(zhí)行函數wait_for_comp- letion之后的任務。通過ret=kernel_thread(kd_ctrl_thread，kdc，CLONE_FS|CLONE_FILES) 創(chuàng)建后臺線程。
4．3 等待鍵盤事件
    后臺線程一旦創(chuàng)建和初始化完成，就會進入一個無條件的for循環(huán)，通過 set_task_state(tsk，TASK_INTERRUPTIBLE)將此線程推入可中斷睡眠的隊列，調用schedule timeout(Hz／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(guī)定時間后再重新執(zhí)行。線程一旦被喚醒即按照順序先利用set_kdc_gpio(KDC_COL_PINS，1，PINS_MODE_ENABLEINTERRUPT，0)使所有列GPIO口中斷，接著調用down_interruptible(&kdc->irq_wait)：該函數的作用是獲得信號量irq_wait，把 irq_wait的值減掉1，如果信號量irq_wait的值非負，就直接返回，如果獲取失敗鍵盤線程將以TASK_INTERRUPTIBLE狀態(tài)進入可中斷睡眠，直到下次鍵盤事件利用信號量irq_wait喚醒此線程才能繼續(xù)運行。因此，驅動程序在沒有按鍵按下時將阻塞自己的執(zhí)行，不消耗任何的CPU 資源。
4．4 鍵盤事件發(fā)生
    一旦有按鍵事件發(fā)生也就是產生一個中斷，則進入中斷處理程序kd_ctrl_irq()，在這個函數中所做的工作如圖2。


    喚醒后臺線程后，把列GPIO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GPIO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 GPIO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。具體實現方法為：先設第一行(GPIO7)為0，掃描列的值(GPIO3、GPIO2、GPIO1、GPIO0)，如果其中一個列的值為O，比如GPIO3，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(GPIO7、GPIO6、GPIO5、 GPIO4)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 sta-tic inline void kd_ctrl_evt_add(struct kd_ctrl*kdc，u8 pressure，u8 keyvalue)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 wake_up_interruptible(&kdc->read_wait)利用信號量read_wait通知read程序到緩沖區(qū)讀取新數據。
4．5 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(tài)，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(zhí)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(fā)生的進程組成的簡單鏈表。內核用wake_queue_head_t來表示等待隊列。等待隊列可通過 DECLARE_WAITQUE-UE()靜態(tài)創(chuàng)建。一旦上層用戶程序進行讀操作，系統(tǒng)調用將通過kd_ctrl_read()函數來實現。
4．6 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module_init(kd_ctrl_init)函數需要將在驅動程序運行期間申請的系統(tǒng)資源全部釋放掉，可以防止資源浪費。

5 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(wěn)定可靠。