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嵌入式Linux设备按键驱动程序实例分析
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2017-10-18
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11.6 按键驱动程序实例
11.6.1 按键工作原理
LED和蜂鸣器是最简单的GPIO的应用，都不需要任何外部输入或控制。按键同样使用GPIO接口，但按键本身需要外部的输入，即在驱动程序中要处理外部中断。按键硬件驱动原理图如图11-7所示。在图11-7的4×4矩阵按键（K1~K16）电路中，使用4个输入/输出端口（EINT0、EINT2、EINT11和EINT19）和4个输出端口（KSCAN0~KSCAN3）。
图11.7 按键驱动电路原理图
按键驱动电路使用的端口和对应的寄存器如表11-18所示。
表11.18 按键电路的主要端口
管 脚端 口输入/输出管 脚端 口输入/输出
KEYSCAN0GPE11输出EINT0EINIT0/GPF0输入/输出
KEYSCAN1GPG6输出EINT2EINT2/GPF2输入/输出
KEYSCAN2GPE13输出EINT11EINT11/GPG3输入/输出
KEYSCAN3GPG2输出EINT19EINT19/GPG11输入/输出
因为通常中断端口是比较珍贵且有限的资源，所以在本电路设计中，16个按键复用了4个中断线。那怎么样才能及时而准确地对矩阵按键进行扫描呢？
某个中断的产生表示，与它所对应的矩阵行的4个按键中，至少有一个按键被按住了。因此可以通过查看产生了哪个中断，来确定在矩阵的哪一行中发生了按键操作（按住或释放）。例如，如果产生了外部2号线中断（EINT2变为低电平），则表示K7、K8、K9和K15中至少有一个按键被按住了。这时候4个EINT端口应该通过GPIO配置寄存器被设置为外部中断端口，而且4个KSCAN端口的输出必须为低电平。
在确定按键操作所在行的位置之后，我们还得查看按键操作所在列的位置。此时要使用KSCAN端口组，同时将4个EINT端口配置为通用输入端口（而不是中断端口）。在4个KSCAN端口中，轮流将其中某一个端口的输出置为低电平，其他3个端口的输出置为高电平。这样逐列进行扫描，直到按键所在列的KSCAN端口输出为低电平，此时按键操作所在行的EINT管脚的输入端口的值会变成低电平。例如，在确认产生了外部2号中断之后，进行逐列扫描。若发现在KSCAN1为低电平时（其他端口输出均为高电平），GPF2（EINT2管脚的输入端口）变为低电平，则可以断定按键K8被按住了。
以上的讨论都是在按键的理想状态下进行的，但实际的按键动作会在短时间（几毫秒至几十毫秒）内产生信号抖动。例如，当按键被按下时，其动作就像弹簧的若干次往复运动，将产生几个脉冲信号。一次按键操作将会产生若干次按键中断，从而会产生抖动现象。因此驱动程序中必须要解决去除抖动所产生的毛刺信号的问题。
11.6.2 按键驱动程序
首先按键设备相关的数据结构的定义如下所示：
/* butt_drv.h */
……
typedef struct _st_key_info_matrix /* 按键数据结构 */
{
unsigned char key_id; /* 按键ID */
unsigned int irq_no; /* 对应的中断号 */
unsigned int irq_gpio_port; /* 对应的中断线的输入端口地址*/
unsigned int kscan_gpio_port; /* 对应的KSCAN端口地址 */
} st_key_info_matrix;
typedef struct _st_key_buffer /* 按键缓冲数据结构 */
{
unsigned long jiffy［MAX_KEY_COUNT］; /* 按键时间， 5s以前的铵键作废*/
unsigned char buf［MAX_KEY_COUNT］; /* 按键缓冲区 */
unsigned int head，tail; /* 按键缓冲区头和尾 */
} st_key_buffer;
……
下面是矩阵按键数组的定义，数组元素的信息（一个按键信息）按照0行0列，0行1列，…，3行2列，3行3列的顺序逐行排列。
static st_key_info_matrix key_info_matrix［MAX_COLUMN］［MAX_ROW］ =
{
{{10， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPE11}， /* 0行0列 */
{11， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPG6}，
{12， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPE13}，
{16， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPG2}}，
{{7， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPE11}， /* 1行0列 */
{8， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPG6}，
{9， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPE13}，
{15， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPG2}}，
{{4， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPE11}， /* 2行0列 */
{5， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPG6}，
{6， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPE13}，
{14， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPG2}}，
{{1， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPE11}， /* 3行0列 */
{2， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPG6}，
{3， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPE13}，
{13， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPG2}}，
};
下面是与按键相关的端口的初始化函数。这些函数已经在简单的GPIO字符设备驱动程序里被使用过。此外，set_irq_type（）函数用于设定中断线的类型，在本实例中通过该函数将4个中断线的类型配置为下降沿触发式。
11.6.1 按键工作原理
LED和蜂鸣器是最简单的GPIO的应用，都不需要任何外部输入或控制。按键同样使用GPIO接口，但按键本身需要外部的输入，即在驱动程序中要处理外部中断。按键硬件驱动原理图如图11-7所示。在图11-7的4×4矩阵按键（K1~K16）电路中，使用4个输入/输出端口（EINT0、EINT2、EINT11和EINT19）和4个输出端口（KSCAN0~KSCAN3）。
图11.7 按键驱动电路原理图
按键驱动电路使用的端口和对应的寄存器如表11-18所示。
表11.18 按键电路的主要端口
管 脚端 口输入/输出管 脚端 口输入/输出
KEYSCAN0GPE11输出EINT0EINIT0/GPF0输入/输出
KEYSCAN1GPG6输出EINT2EINT2/GPF2输入/输出
KEYSCAN2GPE13输出EINT11EINT11/GPG3输入/输出
KEYSCAN3GPG2输出EINT19EINT19/GPG11输入/输出
因为通常中断端口是比较珍贵且有限的资源，所以在本电路设计中，16个按键复用了4个中断线。那怎么样才能及时而准确地对矩阵按键进行扫描呢？
某个中断的产生表示，与它所对应的矩阵行的4个按键中，至少有一个按键被按住了。因此可以通过查看产生了哪个中断，来确定在矩阵的哪一行中发生了按键操作（按住或释放）。例如，如果产生了外部2号线中断（EINT2变为低电平），则表示K7、K8、K9和K15中至少有一个按键被按住了。这时候4个EINT端口应该通过GPIO配置寄存器被设置为外部中断端口，而且4个KSCAN端口的输出必须为低电平。
在确定按键操作所在行的位置之后，我们还得查看按键操作所在列的位置。此时要使用KSCAN端口组，同时将4个EINT端口配置为通用输入端口（而不是中断端口）。在4个KSCAN端口中，轮流将其中某一个端口的输出置为低电平，其他3个端口的输出置为高电平。这样逐列进行扫描，直到按键所在列的KSCAN端口输出为低电平，此时按键操作所在行的EINT管脚的输入端口的值会变成低电平。例如，在确认产生了外部2号中断之后，进行逐列扫描。若发现在KSCAN1为低电平时（其他端口输出均为高电平），GPF2（EINT2管脚的输入端口）变为低电平，则可以断定按键K8被按住了。
以上的讨论都是在按键的理想状态下进行的，但实际的按键动作会在短时间（几毫秒至几十毫秒）内产生信号抖动。例如，当按键被按下时，其动作就像弹簧的若干次往复运动，将产生几个脉冲信号。一次按键操作将会产生若干次按键中断，从而会产生抖动现象。因此驱动程序中必须要解决去除抖动所产生的毛刺信号的问题。
11.6.2 按键驱动程序
首先按键设备相关的数据结构的定义如下所示：
/* butt_drv.h */
……
typedef struct _st_key_info_matrix /* 按键数据结构 */
{
unsigned char key_id; /* 按键ID */
unsigned int irq_no; /* 对应的中断号 */
unsigned int irq_gpio_port; /* 对应的中断线的输入端口地址*/
unsigned int kscan_gpio_port; /* 对应的KSCAN端口地址 */
} st_key_info_matrix;
typedef struct _st_key_buffer /* 按键缓冲数据结构 */
{
unsigned long jiffy［MAX_KEY_COUNT］; /* 按键时间， 5s以前的铵键作废*/
unsigned char buf［MAX_KEY_COUNT］; /* 按键缓冲区 */
unsigned int head，tail; /* 按键缓冲区头和尾 */
} st_key_buffer;
……
下面是矩阵按键数组的定义，数组元素的信息（一个按键信息）按照0行0列，0行1列，…，3行2列，3行3列的顺序逐行排列。
static st_key_info_matrix key_info_matrix［MAX_COLUMN］［MAX_ROW］ =
{
{{10， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPE11}， /* 0行0列 */
{11， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPG6}，
{12， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPE13}，
{16， IRQ_EINT0， S3C2410_GPF0， S3C2410_GPG2}}，
{{7， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPE11}， /* 1行0列 */
{8， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPG6}，
{9， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPE13}，
{15， IRQ_EINT2， S3C2410_GPF2， S3C2410_GPG2}}，
{{4， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPE11}， /* 2行0列 */
{5， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPG6}，
{6， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPE13}，
{14， IRQ_EINT11， S3C2410_GPG3， S3C2410_GPG2}}，
{{1， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPE11}， /* 3行0列 */
{2， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPG6}，
{3， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPE13}，
{13， IRQ_EINT19， S3C2410_GPG11， S3C2410_GPG2}}，
};
下面是与按键相关的端口的初始化函数。这些函数已经在简单的GPIO字符设备驱动程序里被使用过。此外，set_irq_type（）函数用于设定中断线的类型，在本实例中通过该函数将4个中断线的类型配置为下降沿触发式。
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