1 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

隨著電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的各種設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)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(tǒng)，是開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作系統(tǒng)平臺(tái)，其中鍵盤(pán)是人機(jī)界面中人類(lèi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)重要數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)有兩種方法：一種是采用現(xiàn)有的一些芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描;二是用軟件實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描。目前許多芯片可用來(lái)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)掃描，但是鍵盤(pán)掃描的軟件實(shí)現(xiàn)方法有助于縮減系統(tǒng)的重復(fù)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(qiáng)，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(tái)， 通過(guò)測(cè)試，表明其具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

2 矩陣式鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)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(dāng)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(hào)，列陣列加二極管，防止瞬間電流過(guò)大對(duì) GPI O口造成沖擊。

圖 1 矩陣鍵盤(pán)原理圖。

3 Linux鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介

在 Linux中， 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)被劃分成兩層來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(duì)硬件進(jìn)行直接的操作。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序上層公共部分在 driver /keyboard 。 c里。文件中最重要的是內(nèi)核用 EXPORT _SYM BOL這個(gè)宏導(dǎo)出的 handle_scancode函數(shù) 。在這個(gè)文件中還定義了其它的幾個(gè)回調(diào)函數(shù)，它們由鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序中上層公共部分調(diào)用， 并且由底層硬件處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的底層硬件處理部分則根據(jù)不同硬件有不同實(shí)現(xiàn)。

4 鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

4.1 宏定義 module init和 module exit

通過(guò)宏定義 module init和module exit可以看出，驅(qū)動(dòng)程序的入口從 kd_ctrl_init（ ）開(kāi)始。當(dāng)內(nèi)核模塊加載的時(shí)候， 默認(rèn)調(diào)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(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 0x400 ：

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

（ 2） 利用 request_ irq函數(shù)將外設(shè)的中斷服務(wù)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(shù)分別為 4個(gè)列 GPI O口申請(qǐng)中斷資源， 分別占用了中斷號(hào) 1 、2 、3、 4 。其中 i是中斷號(hào); kd_ctr l_irq是 UCB1400的中斷處理程序， kd_ctr l代表鍵盤(pán)設(shè)備名， MAGIC _DEVID是申請(qǐng)時(shí)告訴系統(tǒng)設(shè)備標(biāo)志， 用于共享中斷線(xiàn)。返回值為 0表示申請(qǐng)成功。

（ 3） 通過(guò)函數(shù) m isc_reg ister注冊(cè)一個(gè)鍵盤(pán)設(shè)備， 并分配主設(shè)備號(hào)和從設(shè)備號(hào)， 初始化一個(gè)環(huán)形隊(duì)列以及定義一個(gè)鍵盤(pán)控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中包括鍵值、鍵的狀態(tài)和長(zhǎng)按標(biāo)志。

應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備驅(qū)動(dòng)的調(diào)用實(shí)際是對(duì)相應(yīng)設(shè)備文件進(jìn)行操作， 利用 mknod命令將此節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)設(shè)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(hào)量。

4.2 打開(kāi)鍵盤(pán)設(shè)備

應(yīng)用程序打開(kāi)設(shè)備文件時(shí)， 會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)中的 OPEN 函數(shù)， 此函數(shù)會(huì)對(duì)鍵盤(pán)所用到的行列 GPI O 口進(jìn)行配置。打開(kāi)的設(shè)備在內(nèi) 核中通過(guò) file結(jié) 構(gòu)進(jìn)行標(biāo)識(shí)， 內(nèi)核 使用 fileopreati on ，通過(guò)上面的結(jié)構(gòu)中設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)的映射， 來(lái)調(diào)用驅(qū)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(tái)線(xiàn)程的信號(hào)量。

（ 2） 調(diào)用初始化函數(shù) i n it_pxa_kdc（ ）來(lái)初始化 GPI O口，具體是把 行！的 GPI O 口設(shè)為輸出模式并設(shè)定值為 0 ， 把列！GPIO口設(shè)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(yán)格的串行方式執(zhí)行任務(wù)的效率并不高， 如果把它們放在后臺(tái)調(diào)度，不管是對(duì)它們的函數(shù)還是對(duì)終端用戶(hù)進(jìn)程都能得到較好的響應(yīng)。所以初始化 GPIO口后，開(kāi)啟一個(gè)內(nèi)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(tǒng)申請(qǐng)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(nèi)核中， co m pletion是一種簡(jiǎn)單的同步機(jī)制，利用 co m pleti on機(jī)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(hào)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(jié)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(tái)線(xiàn)程創(chuàng)建成功， 繼續(xù)執(zhí)行函數(shù) 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(tái)線(xiàn)程。

4.3等待鍵盤(pán)事件

后臺(tái)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 _ INTERRUPTIBLE） 將此線(xiàn)程推入可中斷睡眠的隊(duì)列，調(diào)用 schedule ti m eou t （H Z/100）來(lái)實(shí)現(xiàn) 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(guī)定時(shí)間后再重新執(zhí)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， 接著調(diào)用 down _ i nterrupti b l e （ & kdc- 》 irq _wa it）： 該函數(shù)的作用是獲得信號(hào)量 irq_wa it ， 把 irq_ w a i t的值減掉 1 ， 如果信號(hào)量 irq_wa it的值非負(fù)， 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(hào)量 irq_ w a it喚醒此線(xiàn)程才能繼續(xù)運(yùn)行。因此，驅(qū)動(dòng)程序在沒(méi)有按鍵按下時(shí)將阻塞自己的執(zhí)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(shù)中所做的工作如圖 2。

圖 2 中斷處理程序 kd_ ctrl_irq（ ）

喚醒后臺(tái)線(xiàn)程后，把列 GPI O口中斷禁止， 隨即調(diào)用 kd_ctrl_event（ ）進(jìn)行處理鍵盤(pán)事件。其中又調(diào)用 pxa _kdc _scan（ ）進(jìn)行鍵值的掃描： 設(shè)定 4 ［1］ 4小鍵盤(pán)的所有行 GPI O 口為輸出狀態(tài)，并設(shè)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(jù)行號(hào)和列號(hào)從對(duì)應(yīng)的二維數(shù)組 （也就是鍵值映射表 ）中找到該鍵 的鍵值。具體 實(shí)現(xiàn)方法 為： 先設(shè)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(shè)為 1。第二行設(shè)為 0 ， 再次掃描所有列的值。掃描結(jié) 束后， 設(shè) 定所有 行 （ GPI O7 、GPI O6 、GPI O5 、 GPI O4）的值為 0 ， 并且再次恢復(fù)所有列為中斷方式，設(shè)定下降沿有效。最后返回的是代表按鍵是否按下的參數(shù)pressure值。得到此值以后，調(diào)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(shù)把所得值保存在對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)中，并將其添加到事件隊(duì)列中， 最后調(diào)用 w ake_up_ i nterrupti ble（ & kdc- 》 read _ w a it）利用信號(hào)量 read_ w a it通知 read程序到緩沖區(qū)讀取新數(shù)據(jù)。

4.5應(yīng)用程序讀取鍵盤(pán)數(shù)據(jù)

由于用戶(hù)程序需要不斷輪詢(xún)?cè)O(shè)備，以查詢(xún)是否有數(shù)據(jù)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(dāng)沒(méi)有觸摸數(shù)據(jù)時(shí)， 就阻塞此任務(wù)。此時(shí)用戶(hù)空間則需要和內(nèi)核同步， 代碼會(huì)需要睡眠， 使用信號(hào)量是唯一的選擇， 并且它適用于鎖會(huì)被長(zhǎng)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(hào)量時(shí)，信號(hào)量會(huì)先將其中推進(jìn)一個(gè)等待隊(duì)列， 然后讓其睡眠。這時(shí) CPU 能重獲自由， 從而可以執(zhí)行其他代碼。當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)量釋放時(shí)， 處于等待隊(duì)列中的那個(gè)任務(wù)將會(huì)被喚醒， 并獲得該信號(hào)量。

等待隊(duì)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(nèi)核用 w ake_queue_head_t來(lái)表示等待隊(duì)列。等待隊(duì)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(tǒng)調(diào)用將通過(guò) kd_ctrl_read （ ）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.6 模塊卸載

當(dāng)內(nèi)核需要卸載本驅(qū)動(dòng)程序時(shí)， 最后會(huì)從本函數(shù)退出。

此時(shí)通過(guò) modul e_ i nit（ kd_ctrl_ i n it）函數(shù)需要將在驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行期間申請(qǐng)的系統(tǒng)資源全部釋放掉，可以防止資源浪費(fèi)。

5 結(jié)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(xiàn)了多鍵齊按和重復(fù)按鍵的功能， 已經(jīng)用于手持嵌入式設(shè)備中， 實(shí)驗(yàn)證明性能穩(wěn)定可靠。