工程師黃明星 發表於 2018-06-26 10:39:00
隨著電子信息技術飛速發展，嵌入式系統構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、 多任務的作業系統，是開發嵌入式產品的優秀作業系統平臺，其中鍵盤是人機界面中人類監控計算機重要數據輸入設備。實現鍵盤有兩種方法：一種是採用現有的一些晶片實現鍵盤掃描;二是用軟體實現鍵盤掃描。目前許多晶片可用來實現鍵盤掃描，但是鍵盤掃描的軟體實現方法有助於縮減系統的重複開發成本， 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為軟硬體平臺， 通過測試，表明其具有良好的穩定性和實時性。
2 矩陣式鍵盤的結構與工作原理本課題採用矩陣鍵盤， 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生下降沿， 觸發中斷。其中按鍵行陣列必須提供上拉信號，列陣列加二極體，防止瞬間電流過大對 GPI O口造成衝擊。
圖 1 矩陣鍵盤原理圖。
3 Linux鍵盤驅動簡介在 Linux中， 鍵盤驅動被劃分成兩層來實現。上層是一個通用鍵盤抽象層， 下層則是硬體處理層， 主要對硬體進行直接的操作。鍵盤驅動程序上層公共部分在 driver /keyboard 。 c裡。文件中最重要的是內核用 EXPORT _SYM BOL這個宏導出的 handle_scancode函數 。在這個文件中還定義了其它的幾個回調函數，它們由鍵盤驅動程序中上層公共部分調用， 並且由底層硬體處理函數實現。鍵盤驅動程序的底層硬體處理部分則根據不同硬體有不同實現。
4 鍵盤驅動程序的實現 4.1 宏定義 module init和 module exit通過宏定義 module init和module exit可以看出，驅動程序的入口從 kd_ctrl_init（ ）開始。當內核模塊加載的時候， 默認調用 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），數據長度為 0x400 ：
GPI O _ BASE = （ i nt） ioremap （ GPI O _ BASE _ P HY，0x400）;
（ 2） 利用 request_ irq函數將外設的中斷服務例程掛載到外部中斷處理程序中。本系統中利用 request_irq函數分別為 4個列 GPI O口申請中斷資源， 分別佔用了中斷號 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是申請時告訴系統設備標誌， 用於共享中斷線。返回值為 0表示申請成功。
（ 3） 通過函數 m isc_reg ister註冊一個鍵盤設備， 並分配主設備號和從設備號， 初始化一個環形隊列以及定義一個鍵盤控制的數據結構。其中包括鍵值、鍵的狀態和長按標誌。
應用程式對設備驅動的調用實際是對相應設備文件進行操作， 利用 mknod命令將此節點與對應設備建立聯繫。
（ 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式打開設備文件時， 會調用驅動中的 OPEN 函數， 此函數會對鍵盤所用到的行列 GPI O 口進行配置。打開的設備在內 核中通過 file結 構進行標識， 內核 使用 fileopreati on ，通過上面的結構中設備文件操作結構的映射， 來調用驅動中的 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）初始化在後面用來喚醒後臺線程的信號量。
（ 2） 調用初始化函數 i n it_pxa_kdc（ ）來初始化 GPI O口，具體是把 行！的 GPI O 口設為輸出模式並設定值為 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行任務的效率並不高， 如果把它們放在後臺調度，不管是對它們的函數還是對終端用戶進程都能得到較好的響應。所以初始化 GPIO口後，開啟一個內核線程 kd_ctrl_thread專門用於處理鍵盤事件， 其實也就是向系統申請了軟硬體資源。為了確保在該線程創建完成，使用 co m pleti on ，在 Linux內核中， 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）動態初始化一個線程創建信號量 i n it_ex it ， 以及用 wa it_fo r_co m pleti on （& kdc- 》i n it_ex it）來等待進程創建完成， 然後在進程創建結束後通過co m plete（& kdc- 》 i nit_ex it）確定事件已經完成即後臺線程創建成功， 繼續執行函數 w ait_ for_ comp l e ti on之後的任務。
通過 ret = kerne l_t h read（ kd_c trl_ t hread ， kdc ， CLONE_FS |CLONE_FILES）創建後臺線程。
4.3等待鍵盤事件後臺線程一旦創建和初始化完成， 就會進入一個無條件的 for循 環， 通 過 set _ task _ state （ tsk ， TASK _ INTERRUPTIBLE） 將此線程推入可中斷睡眠的隊列，調用 schedule ti m eou t （H Z/100）來實現 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定時間後再重新執行。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， 接著調用 down _ i nterrupti b l e （ & kdc- 》 irq _wa it）： 該函數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運行。因此，驅動程序在沒有按鍵按下時將阻塞自己的執行，不消耗任何的 CPU資源。
4.4 鍵盤事件發生一旦有按鍵事件發生也就是產生一個中斷， 則進入中斷處理程序 kd_ctr l _ irq（ ）， 在這個函數中所做的工作如圖 2。
圖 2 中斷處理程序 kd_ ctrl_irq（ ）
喚醒後臺線程後，把列 GPI O口中斷禁止， 隨即調用 kd_ctrl_event（ ）進行處理鍵盤事件。其中又調用 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，並設定它的值為 1 ，而所有列 GPIO口作為輸入狀態，然後採用逐行掃描的方法， 依次去讀取四根列 GPI O 口狀態，如果某列 GPIO 口電平為低， 就表示此行此列有鍵按下，根據行號和列號從對應的二維數組 （也就是鍵值映射表 ）中找到該鍵 的鍵值。具體 實現方法 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。掃描完列後，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 束後， 設 定所有 行 （ GPI O7 、GPI O6 、GPI O5 、 GPI O4）的值為 0 ， 並且再次恢復所有列為中斷方式，設定下降沿有效。最後返回的是代表按鍵是否按下的參數pressure值。得到此值以後，調用 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 ）函數把所得值保存在對應的結構中，並將其添加到事件隊列中， 最後調用 w ake_up_ i nterrupti ble（ & kdc- 》 read _ w a it）利用信號量 read_ w a it通知 read程序到緩衝區讀取新數據。
4.5應用程式讀取鍵盤數據由於用戶程序需要不斷輪詢設備，以查詢是否有數據讀取， 如果程序不處於休眠狀態， 則將會佔用很多 CPU 的資源。因此當沒有觸摸數據時， 就阻塞此任務。此時用戶空間則需要和內核同步， 代碼會需要睡眠， 使用信號量是唯一的選擇， 並且它適用於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被佔用的信號量時，信號量會先將其中推進一個等待隊列， 然後讓其睡眠。這時 CPU 能重獲自由， 從而可以執行其他代碼。當持有信號量的進程將信號量釋放時， 處於等待隊列中的那個任務將會被喚醒， 並獲得該信號量。
等待隊列是由等待某些事件發生的進程組成的簡單鍊表。內核用 w ake_queue_head_t來表示等待隊列。等待隊列可通過 DECLARE _WAI TQUEUE （ ）靜態創建。一旦上層用戶程序進行讀操作， 系統調用將通過 kd_ctrl_read （ ）函數來實現。
4.6 模塊卸載當內核需要卸載本驅動程序時， 最後會從本函數退出。
此時通過 modul e_ i nit（ kd_ctrl_ i n it）函數需要將在驅動程序運行期間申請的系統資源全部釋放掉，可以防止資源浪費。
5 結束語本文介紹的嵌入式 Linux的一種矩陣小鍵盤， 成功實現了多鍵齊按和重複按鍵的功能， 已經用於手持嵌入式設備中， 實驗證明性能穩定可靠。
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