1 鍵盤驅(qū)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(gòu)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(chǎn)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(shù)據(jù)輸入設備。實現(xiàn)鍵盤有兩種方法：一種是采用現(xiàn)有的一些芯片實現(xiàn)鍵盤掃描;二是用軟件實現(xiàn)鍵盤掃描。目前許多芯片可用來實現(xiàn)鍵盤掃描，但是鍵盤掃描的軟件實現(xiàn)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，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(wěn)定性和實時性。

2 矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)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(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，防止瞬間電流過大對 GPI O口造成沖擊。

圖 1 矩陣鍵盤原理圖。

3 Linux鍵盤驅(qū)動簡介

在 Linux中， 鍵盤驅(qū)動被劃分成兩層來實現(xiàn)。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(qū)動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這個宏導出的 handle_scancode函數(shù) 。在這個文件中還定義了其它的幾個回調(diào)函數(shù)，它們由鍵盤驅(qū)動程序中上層公共部分調(diào)用， 并且由底層硬件處理函數(shù)實現(xiàn)。鍵盤驅(qū)動程序的底層硬件處理部分則根據(jù)不同硬件有不同實現(xiàn)。

4 鍵盤驅(qū)動程序的實現(xiàn)

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(qū)動程序的入口從 kd_ctrl_init（ ）開始。當內(nèi)核模塊加載的時候， 默認調(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(shù)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(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(shù) 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(huán)形隊列以及定義一個鍵盤控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中包括鍵值、鍵的狀態(tài)和長按標志。

應用程序?qū)υO備驅(qū)動的調(diào)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_ w a it queue_head（& sa ts 。 read _ w a it）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(diào)用驅(qū)動中的 OPEN 函數(shù)， 此函數(shù)會對鍵盤所用到的行列 GPI O 口進行配置。打開的設備在內(nèi) 核中通過 file結(jié) 構(gòu)進行標識， 內(nèi)核 使用 fileopreati on ，通過上面的結(jié)構(gòu)中設備文件操作結(jié)構(gòu)的映射， 來調(diào)用驅(qū)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(diào)用初始化函數(shù) 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(zhí)行任務的效率并不高， 如果把它們放在后臺調(diào)度，不管是對它們的函數(shù)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(nèi)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 co m pleti on ，在 Linux內(nèi)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(tài)初始化一個線程創(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）來等待進程創(chuàng)建完成， 然后在進程創(chuàng)建結(jié)束后通過co m plete（& kdc- 》 i nit_ex it）確定事件已經(jīng)完成即后臺線程創(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。

通過 ret = kerne l_t h read（ kd_c trl_ t hread ， 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(diào)用 schedule ti m eou t （H Z/100）來實現(xiàn) 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_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(tài)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(xù)運行。因此，驅(qū)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(chǎn)生一個中斷， 則進入中斷處理程序 kd_ctr l _ irq（ ）， 在這個函數(shù)中所做的工作如圖 2。

圖 2 中斷處理程序 kd_ ctrl_irq（ ）

喚醒后臺線程后，把列 GPI O口中斷禁止， 隨即調(diào)用 kd_ctrl_event（ ）進行處理鍵盤事件。其中又調(diào)用 pxa _kdc _scan（ ）進行鍵值的掃描： 設定 4 ［1］ 4小鍵盤的所有行 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(jù)行號和列號從對應的二維數(shù)組 （也就是鍵值映射表 ）中找到該鍵 的鍵值。具體 實現(xiàn)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(jié) 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(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)把所得值保存在對應的結(jié)構(gòu)中，并將其添加到事件隊列中， 最后調(diào)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(qū)讀取新數(shù)據(jù)。

4.5應用程序讀取鍵盤數(shù)據(jù)

由于用戶程序需要不斷輪詢設備，以查詢是否有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時， 就阻塞此任務。此時用戶空間則需要和內(nèi)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(jīng)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(nèi)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(tài)創(chuàng)建。一旦上層用戶程序進行讀操作， 系統(tǒng)調(diào)用將通過 kd_ctrl_read （ ）函數(shù)來實現(xiàn)。

4.6 模塊卸載

當內(nèi)核需要卸載本驅(qū)動程序時， 最后會從本函數(shù)退出。

此時通過 modul e_ i nit（ kd_ctrl_ i n it）函數(shù)需要將在驅(qū)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(jié)束語

本文介紹的嵌入式 Linux的一種矩陣小鍵盤， 成功實現(xiàn)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， 實驗證明性能穩(wěn)定可靠。