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嵌入式 Linux和 PXA255为软硬件平台的键盘驱动设计
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2017-10-31
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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 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。
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 _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。
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_ 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。
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 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 fileopreati 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。
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 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。
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 _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。
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_ 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。
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 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 fileopreati 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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