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键盘驱动程序的设计

随着电子信息技术飞速发展,嵌入式系统构成的各种设备得到了广泛的应用, 嵌入式 Linux是一种开放源码、 软实时、 多任务的操作系统,是开发嵌入式产品的优秀操作系统平台,其中键盘是人机界面中人类监控计算机重要数据输入设备。实现键盘有两种方法:一种是采用现有的一些芯片实现键盘扫描;二是用软件实现键盘扫描。目前许多芯片可用来实现键盘扫描,但是键盘扫描的软件实现方法有助于缩减系统的重复开发成本, 而只需很少的 CPU 开销。嵌入式控制器的功能很强,可以充分利用这一资源。本课题提出的键盘方案是以嵌入式 Linux和 PXA255为软硬件平台, 通过测试,表明其具有良好的稳定性和实时性。

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矩阵式键盘的结构与工作原理

本课题采用矩阵键盘, 如图 1所示。四根行线四根列线组成 4 *4矩阵键盘, 分别用 CPU 的 4个 GPIO口。当有键按下,某个列 GPI O 口电平被下拉从而产生下降沿, 触发中断。其中按键行阵列必须提供上拉信号,列阵列加二极管,防止瞬间电流过大对 GPI O口造成冲击。

图 1
矩阵键盘原理图.

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Linux键盘驱动简介

在 Linux中, 键盘驱动被划分成两层来实现。上层是一个通用键盘抽象层, 下层则是硬件处理层, 主要对硬件进行直接的操作。键盘驱动程序上层公共部分在 driver /key
board . c里。文件中最重要的是内核用 EXPORT _SYM BOL这个宏导出的 handle_scancode函数 。在这个文件中还定义了其它的几个回调函数,它们由键盘驱动程序中上层公共部分调用, 并且由底层硬件处理函数实现。键盘驱动程序的底层硬件处理部分则根据不同硬件有不同实现。

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键盘驱动程序的实现

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宏定义 module init和 module exit

通过宏定义 module init和module exit可以看出,驱动程序的入口从 kd_ctrl_init( )开始。当内核模块加载的时候, 默认调用 module_ i nit( kd_c trl_init) ,在 kd_ctr l_ i nit( )中将完成一些初始化工作, 主要如下:

( 1) 把 GPI O 口的起始虚拟地址映射到 GPI O _BASE _PHY ( 0x1000b000),数据长度为 0x400 :

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

( 2) 利用 requeST_ irq函数将外设的中断服务例程挂载到外部中断处理程序中。本系统中利用 request_irq函数分别为 4个列 GPI O口申请中断资源, 分别占用了中断号 1 、2 、3、 4 。其中 i是中断号; kd_ctr l_irq是 UCB1400的中断处理程序, kd_ctr l代表键盘设备名, MAGIC _DEVID是申请时告诉系统设备标志, 用于共享中断线。返回值为 0表示申请成功。

( 3) 通过函数 m isc_reg ister注册一个键盘设备, 并分配主设备号和从设备号, 初始化一个环形队列以及定义一个键盘控制的数据结构。其中包括键值、 键的状态和长按标志。

应用程序对设备驱动的调用实际是对相应设备文件进行操作, 利用 mknod命令将此节点与对应设备建立联系。

( 4) 通过 init_ w a it queue_head(& sa ts . read _ w a it)初始化读信号量。

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打开键盘设备

应用程序打开设备文件时, 会调用驱动中的 OPEN 函数, 此函数会对键盘所用到的行列 GPI O 口进行配置。打开的设备在内 核中通过 file结 构进行标识, 内核 使用 file
opreaTI ON ,通过上面的结构中设备文件操作结构的映射, 来调用驱动中的 kd_c trl_open。接下来要做的是:

( 1) 通过 se m a_ i n it( & kdc- > irq_w ait , 0)初始化在后面用来唤醒后台线程的信号量。

( 2) 调用初始化函数 i n it_pxa_kdc( )来初始化 GPI O口,具体是把 行!的 GPI O 口设为输出模式并设定值为 0 , 把列!GPIO口设为中断模式,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) 以严格的串行方式执行任务的效率并不高, 如果把它们放在后台调度,不管是对它们的函数还是对终端用户进程都能得到较好的响应。所以初始化 GPIO口后,开启一个内核线程 kd_ctrl_thread专门用于处理键盘事件, 其实也就是向系统申请了软硬件资源。为了确保在该线程创建完成,使用 co m pleti on ,在 Linux内核中, co m pletion是一种简单的同步机制,利用 co m pleti on机制可以使两个任务同步。我们利用 i n it_comp l e ti on(& kdc- > i n it_ex it)动态初始化一个线程创建信号量 i n it_ex it , 以及用 wa it_fo r_co m pleti on (& kdc- >i n it_ex it)来等待进程创建完成, 然后在进程创建结束后通过co m plete(& kdc- > i nit_ex it)确定事件已经完成即后台线程创建成功, 继续执行函数 w ait_ for_ comp l e ti on之后的任务。

通过 ret = kerne l_t h read( kd_c trl_ t hread , kdc , CLONE_FS |CLONE_FILES)创建后台线程。

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等待键盘事件

后台线程一旦创建和初始化完成, 就会进入一个无条件的 for循 环, 通 过 set _ task _ state ( tsk , TASK _ INTERRUPT
IBLE) 将此线程推入可中断睡眠的队列,调用 schedule ti m e
ou t (H Z/100)来实现 15毫秒的进程挂起。此时让出 CPU,直到中断事件来临或睡眠超过规定时间后再重新执行。线程一旦被唤醒即按照顺序先利用 set_kdc_gp io ( KDC _COL_PI NS , 1 , PI NS _MODE _ENABLEI NTERRUPT, 0) 使 所有列GPI O 口中断, 接着调用 down _ i nterrupti b l e ( & kdc- > irq _wa it): 该函数的作用是获得信号量 irq_wa it , 把 irq_ w a i t的值减掉 1 , 如果信号量 irq_wa it的值非负, 就直接返回,如果获取失败键盘线程将以 TASK_I NTERRUPTIBLE状态进入可中断睡眠,直到下次键盘事件利用信号量 irq_ w a it唤醒此线程才能继续运行。因此,驱动程序在没有按键按下时将阻塞自己的执行,不消耗任何的 CPU资源。

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键盘事件发生

一旦有按键事件发生也就是产生一个中断, 则进入中断处理程序 kd_ctr l _ irq( ), 在这个函数中所做的工作如图 2。

图 2
中断处理程序 kd_ ctrl_irq( )

唤醒后台线程后,把列 GPI O口中断禁止, 随即调用 kd_ctrl_event( )进行处理键盘事件。其中又调用 pxa _kdc _scan( )进行键值的扫描: 设定 4  4小键盘的所有行 GPI O 口为输出状态,并设定它的值为 1 ,而所有列 GPIO口作为输入状态,然后采用逐行扫描的方法, 依次去读取四根列 GPI O 口状态,如果某列 GPIO 口电平为低, 就表示此行此列有键按下,根据行号和列号从对应的二维数组 (也就是键值映射表 )中找到该键 的键值。具体 实现方法 为: 先设第 一行( GPI O7)为 0 , 扫描列的值 ( GPI O3 、 GPI O2 、GPI O1、 GPI O0),如果其中一个列的值为 0 , 比如 GPI O3 , 则按下的键是 Key _5。扫描完列后,把第一行设为 1。第二行设为 0 , 再次扫描所有列 的值。扫描结 束后, 设 定所有 行 ( GPI O7 、GPI O6 、GPI O5 、 GPI O4)的值为 0 , 并且再次恢复所有列为中断方式,设定下降沿有效。最后返回的是代表按键是否按下的参数pressure值。得到此值以后,调用 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 )函数把所得值保存在对应的结构中,并将其添加到事件队列中, 最后调用 w ake_up_ i nterrupti ble( & kdc- > read _ w a it)利用信号量 read_ w a it通知 read程序到缓冲区读取新数据。

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应用程序读取键盘数据

由于用户程序需要不断轮询设备,以查询是否有数据读取, 如果程序不处于休眠状态, 则将会占用很多 CPU 的资源。因此当没有触摸数据时, 就阻塞此任务。此时用户空间则需要和内核同步, 代码会需要睡眠, 使用信号量是唯一的选择, 并且它适用于锁会被长时间持有的情况。如果有一个任务试图获得一个已经被占用的信号量时,信号量会先将其中推进一个等待队列, 然后让其睡眠。这时 CPU 能重获自由, 从而可以执行其他代码。当持有信号量的进程将信号量释放时, 处于等待队列中的那个任务将会被唤醒, 并获得该信号量。

等待队列是由等待某些事件发生的进程组成的简单链表。内核用 w ake_queue_head_t来表示等待队列。等待队列可通过 DECLARE _WAI TQUEUE ( )静态创建。一旦上层用户程序进行读操作, 系统调用将通过 kd_ctrl_read ( )函数来实现。

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模块卸载

当内核需要卸载本驱动程序时, 最后会从本函数退出。

此时通过 modul e_ i nit( kd_ctrl_ i n it)函数需要将在驱动程序运行期间申请的系统资源全部释放掉,可以防止资源浪费。

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结束语

本文介绍的嵌入式 Linux的一种矩阵小键盘, 成功实现了多键齐按和重复按键的功能, 已经用于手持嵌入式设备中, 实验证明性能稳定可靠。