基于嵌入式Linux的键盘驱动设计

摘要：提出一种基于嵌入式Linux的矩阵键盘实现方案，介绍矩阵式键盘的结构与工作原理。课题以IntelPXA255处理器和嵌入式Linux2.4. 19操作系统为基础，对人机交互接口设备驱动程序的设计开发做了深入的研究，针对嵌入式系统的键盘驱动的特点，设计基于行列扫描的键盘驱动程序。
关键词：矩阵键盘；嵌入式linux；键盘驱动程序

1 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。

2 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4x4矩阵键盘，分别用CPU的4个GPIO口。当有键按下，某个列GPIO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GPIO口造成冲击。



3 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／keyboard．c里。文件中最重要的是内核用EXPORT_SYMBOL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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4 键盘驱动程序的实现
4．1 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_ jnit(kd_ctrl_init)，在kd_ctrl_init()中将完成一些初始化工作，主要如下：
    (1)把GPIO口的起始虚拟地址映射到GPIO_BASE_PHY(0x1000b000)，数据长度为0x400：
    GPIO_BASE=(int)ioremap(GPIO_BASE_PHY，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GPIO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_ctrl_irq是UCB1400的中断处理程序，kd_ctrl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misc_register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_waitqueue_head(&sats．read_wait)初始化读信号量。
4．2 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GPIO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fileopreation，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_ctrl_open。接下来要做的是：
    (1)通过sema_init(&kdc->irq_wait，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init_pxa_kdc()来初始化GPIO口，具体是把“行”的GPIO口设为输出模式并设定值为O，把“列”GPIO口设为中断模式，下降沿有效。如下所示：
  
  
    (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 completion，在Linux内核中，completion是一种简单的同步机制，利用completion机制可以使两个任务同步。我们利
用init_completion(&kdc->init_exit)动态初始化一个线程创建信号量init_exit，以及用 wait_for_completion(&kdc->init_exit)来等待进程创建完成，然后在进程创建结束后通过 complete(&kdc->init_exit)确定事件已经完成即后台线程创建成功，继续执行函数wait_for_comp- letion之后的任务。通过ret=kernel_thread(kd_ctrl_thread，kdc，CLONE_FS|CLONE_FILES) 创建后台线程。
4．3 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_INTERRUPTIBLE)将此线程推入可中断睡眠的队列，调用schedule timeout(Hz／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_gpio(KDC_COL_PINS，1，PINS_MODE_ENABLEINTERRUPT，0)使所有列GPIO口中断，接着调用down_interruptible(&kdc->irq_wait)：该函数的作用是获得信号量irq_wait，把 irq_wait的值减掉1，如果信号量irq_wait的值非负，就直接返回，如果获取失败键盘线程将以TASK_INTERRUPTIBLE状态进入可中断睡眠，直到下次键盘事件利用信号量irq_wait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。
4．4 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_ctrl_irq()，在这个函数中所做的工作如图2。


    唤醒后台线程后，把列GPIO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GPIO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 GPIO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(GPIO7)为0，扫描列的值(GPIO3、GPIO2、GPIO1、GPIO0)，如果其中一个列的值为O，比如GPIO3，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(GPIO7、GPIO6、GPIO5、 GPIO4)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 sta-tic inline void kd_ctrl_evt_add(struct kd_ctrl*kdc，u8 pressure，u8 keyvalue)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 wake_up_interruptible(&kdc->read_wait)利用信号量read_wait通知read程序到缓冲区读取新数据。
4．5 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wake_queue_head_t来表示等待队列。等待队列可通过 DECLARE_WAITQUE-UE()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。
4．6 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module_init(kd_ctrl_init)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。

5 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。