如何用嵌入式Linux系統(tǒng)編寫鍵盤驅(qū)動

Linux由于其具有內(nèi)核強大且穩(wěn)定，易于擴展和裁減，豐富的硬件支持等諸多優(yōu)點，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。很多嵌入式Linux系統(tǒng)，特別是一些具有與用戶強交互的嵌入式系統(tǒng)，往往需要配備一個特殊鍵盤，此時開發(fā)者需要根據(jù)實際情況，為自己的特殊鍵盤編寫驅(qū)動程序。

Linux鍵盤驅(qū)動簡介

Linux中的大多數(shù)驅(qū)動程序都采用了層次型的體系結(jié)構(gòu)，鍵盤驅(qū)動程序也不例外。在Linux中，鍵盤驅(qū)動被劃分成兩層來實現(xiàn)。其中，上層是一個通用的鍵盤抽象層，完成鍵盤驅(qū)動中不依賴于底層具體硬件的一些功能，并且負(fù)責(zé)為底層提供服務(wù)；下層則是硬件處理層，與具體硬件密切相關(guān)，主要負(fù)責(zé)對硬件進行直接操作。鍵盤驅(qū)動程序的上層公共部分都在driver/keyboard。c中。該文件中最重要的就是內(nèi)核用EXPORT_SYMBOL這個宏導(dǎo)出的handle_sCANcode函數(shù)。handle_scancode完成的功能是：首先將掃描碼轉(zhuǎn)換成鍵碼，接著根據(jù)shift，alt等擴展鍵的按下情況將鍵碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)碼，一般情況下是ASCII碼，最后將該ASCII碼放到終端設(shè)備的緩沖區(qū)中，并且調(diào)度一個tasklet負(fù)責(zé)將其在顯示器上回顯出來?？梢钥闯?，這個函數(shù)完成的是鍵盤驅(qū)動程序中最核心的一些工作，而這些核心的邏輯功能是不依賴于底層硬件的，所以可以將其獨立出來，并且導(dǎo)出給底層的硬件處理函數(shù)調(diào)用。在這個文件中還定義了其它幾個回調(diào)函數(shù)，它們由鍵盤驅(qū)動程序中的上層公共部分調(diào)用，并由底層硬件處理函數(shù)實現(xiàn)。比如kbd_init_hw，kbd_translate，kbd_unexpected_up等等。其中kbd_translate由handle_scancode調(diào)用，負(fù)責(zé)將掃描碼轉(zhuǎn)換成鍵碼；鍵盤驅(qū)動程序的底層硬件處理部分則根據(jù)不同的硬件有不同的實現(xiàn)。例如PC平臺上標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的底層硬件處理函數(shù)都集中在driver/Pc_keyb。c中。這個文件包括了鍵盤中斷處理函數(shù)keyboard_interrupt，掃描碼到鍵碼轉(zhuǎn)換函數(shù)pckbd_translate等其他一些與底層硬件密切相關(guān)的函數(shù)。

在這種體系結(jié)構(gòu)下，要添加一塊特殊鍵盤到系統(tǒng)中就顯得格外清晰。開發(fā)者只需為其編寫驅(qū)動程序中的底層硬件處理函數(shù)，就可以將該鍵盤驅(qū)動起來。一般說來，底層硬件處理函數(shù)中最重要的工作就是在鍵盤中斷處理中獲取被按下鍵的掃描碼，并且以它為參數(shù)調(diào)用handle_scancode，該掃描碼可以自己定義，但它必須唯一地標(biāo)識出被按下鍵在鍵盤上的位置。此外，開發(fā)者還需要提供對應(yīng)的從自定義掃描碼到鍵碼的轉(zhuǎn)換函數(shù)kbd_translate。具體的鍵碼轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)碼放到終端的輸入緩沖區(qū)，以及回顯等工作都由handle_scancode負(fù)責(zé)完成。在此我們也可以看出，內(nèi)核導(dǎo)出函數(shù)handle_scancode在整個鍵盤驅(qū)動程序中，起著將上層通用抽象層和底層硬件處理層粘和起來的關(guān)鍵作用。

應(yīng)用實例

下面我們將以一個具體的應(yīng)用實例來說明在嵌入式Linux系統(tǒng)中給一個特殊鍵盤編寫驅(qū)動程序的具體過程。

1硬件模塊描述

本系統(tǒng)的構(gòu)建選用了三星公司的S3C2410開發(fā)板作為硬件平臺。特殊鍵盤的硬件模塊主要由兩個SN74hc164芯片和一個4行16列的矩陣掃描電路構(gòu)成。SN74hc164是一個8位的串形輸入并形輸出移位寄存器，它的內(nèi)部由8個D觸發(fā)器串聯(lián)而成。其工作原理簡單說來是這樣的，SN74hc164芯片在時鐘CLK脈沖的上升沿將A，B引腳上的串形輸入在8個時鐘脈沖以后并行輸出到輸出引腳QA到QH。其真值表見圖1所示。

兩個SN74hc164芯片先串聯(lián)后，將它們的CLK引腳和CLR引腳分別接到S3C2410開發(fā)板的GPB2和GPB4端口上，并且將第一個SN74hc164芯片的A，B引腳接到開發(fā)板的GPB1端口上，這三個GPIO端口配置成輸出端口。這樣我們就借助于兩個SN74hc164寄存器，實現(xiàn)了只占用3個GPIO端口，給矩陣掃描電路的16列提供輸入，從而既節(jié)約了成本，又避免了GPIO資源的浪費。但這同時也給鍵盤驅(qū)動程序的實現(xiàn)帶來了一定的麻煩，驅(qū)動程序首先要將SN74hc164驅(qū)動起來，然后才能對矩陣電路的16列進行控制。該矩陣電路的4個行引腳分別被接到S3C2410的GPG6，GPG7，GPG8，GPG9端口上，并且這四個端口被配置成中斷源。無鍵按下時直接讀為高電位，使用時通過SN74hc164芯片先將鍵盤的16列置低電位，任何一個鍵被按下，相應(yīng)的行GPG端口就會有從高到低的電壓跳變，從而觸發(fā)一次中斷。

2軟件模塊描述

初始化部分。這部分包括硬件層和軟件層上的初始化。在本例中，需要先對矩陣電路和SN74hc164芯片所使用到的GPIO端口作配置，以使CPU可以對它們進行控制和訪問。為了要將某個GPIO端口配置成輸入輸出或者是中斷源，需要在對應(yīng)的GPIO控制寄存器中設(shè)置正確的值，具體的值可以通過查閱S3C2410開發(fā)板手冊來獲得。比如，為了將GPB1設(shè)置成SN74hc164的輸入端，需要將GPBCON這個控制字中2，3兩位設(shè)置成二進制的01，為了將GPG6設(shè)置成電壓低跳變中斷源，需要將GPGCON中12，13兩位設(shè)置成二進制的10。在完成了硬件初始化操作以后，就是軟件層上的初始化了。首先將鍵盤中斷處理函數(shù)注冊到系統(tǒng)，然后設(shè)置好一個定時器結(jié)構(gòu)，以便在中斷發(fā)生時將其掛到內(nèi)核的定時器隊列中去，該定時器將觸發(fā)對鍵盤的掃描操作。最后通過SN74hc164將矩陣電路的16列置零。

中斷處理部分。如前所述，這部分軟件應(yīng)該完成的工作就是掃描特殊鍵盤，確定哪個鍵被按下，并且拿到穩(wěn)定的掃描碼，然后調(diào)用內(nèi)核導(dǎo)出函數(shù)handle_scancode。在這個應(yīng)用中，該特殊鍵盤的布局與PC標(biāo)準(zhǔn)鍵盤的布局比較相似，所以我們直接將PC鍵盤上對應(yīng)鍵的系統(tǒng)掃描碼作為我們特殊鍵盤上各個鍵的掃描碼，同時我們將PC鍵盤驅(qū)動程序中掃描碼到鍵碼的轉(zhuǎn)換函數(shù)pckbd_translate作為我們的kbd_translate函數(shù)。

確定哪一個鍵被按下的算法如下。在中斷到來時，我們已經(jīng)可以根據(jù)中斷號確定被按下的鍵在哪一行，我們還需要確定被按下的鍵在哪一列。為此，我們先給串聯(lián)的兩個SN74hc164芯片送一個CLR信號，清零，然后送16個1，使得特殊鍵盤的列均為高電位，此時我們在鍵盤的行端口讀到的都是高電位。在16個時鐘脈沖下，給SN74hc164芯片送入1個0和15個1，使得0在每一列上都唯一出現(xiàn)一次，于此同時在鍵盤行端口進行掃描。當(dāng)被按下鍵所在列置0時，其所在行就會讀到一個低電位。使用這種“走0法”，我們就可以確定出鍵盤上哪個鍵被按下了。但是這種簡單的掃描算法還不夠，因為在這種類型的矩陣掃描鍵盤中，鍵的每次按下和抬起都會有10~20ms（這段時間的長短由硬件特性決定）的毛刺抖動存在，如圖2所示，所以為了獲取穩(wěn)定的按鍵信息，必須要想辦法去掉這種抖動，才能避免將用戶的一次按鍵誤當(dāng)作幾次按鍵來處理。去毛刺的一種常見的方法是在有鍵盤中斷到達(dá)時，并不立即去掃描鍵盤，而是先等待一段時間，等跳過毛刺抖動以后再去掃描鍵盤，其偽代碼如下所示：

等待一段時間，跳過抖動；

掃描鍵盤；

if鍵盤上沒有鍵被按下

結(jié)束返回；

if鍵盤上有鍵被按下

再次等待一段時間然后檢查同樣的鍵是否依然處于被按下狀態(tài)；

if同樣的鍵任然是按下

將讀到的掃描碼返回；

else

直接返回；

這種解決方案固然可行，但是它使用了忙等的方法去毛刺，在忙等期間，系統(tǒng)做不了任何有用的工作。這對于計算資源本身就很有限的嵌入式Linux系統(tǒng)來說，是一種奢侈的浪費。本應(yīng)用中，我們設(shè)計了一種適合嵌入式系統(tǒng)的去毛刺解決方案，使用效果良好。

由于Linux內(nèi)核提供了定時器隊列，所以我們可以使用這種機制來避免忙等，提高系統(tǒng)的性能。當(dāng)鍵盤上有鍵被按下時，鍵盤中斷處理程序首先關(guān)閉中斷源，進入輪詢模式，將一個timerlist對象掛入定時器隊列以后就結(jié)束了。掛入內(nèi)核的定時器按時地被觸發(fā)，它所觸發(fā)的函數(shù)完成以下一些工作：先對整個鍵盤上所有的鍵進行一次掃描，并且將掃描得到的結(jié)果保存到一個靜態(tài)2維數(shù)組變量snap_shot_matrix［16］［4］中。該變量描述的是在本次鍵盤掃描的這個時刻，鍵盤上所有鍵的按下情況。如果某個鍵沒有被按下，即處于松開狀態(tài)，那么將snap_shot_matrix中對應(yīng)的值置為0，如果某個鍵處于按下狀態(tài)，那么將snap_shot_matrix中對應(yīng)的值作自增1操作，若該值在自增1以后大于某個預(yù)先指定的數(shù)，我們就可以認(rèn)為這是一個穩(wěn)定值，并且將另一個大小為16*4的2維數(shù)組變量current_matrix對應(yīng)坐標(biāo)中的值置1，否則置0。這個變量描述的就是當(dāng)前鍵盤上按鍵情況的穩(wěn)定值了。也就是說我們首先把在本次掃描中得到的采樣數(shù)據(jù)作處理以后保存到snap_shot_matrix中，然后依據(jù)該變量中的值，過濾得到current_matrix，通過這樣一個過程來做去毛刺處理。在得到了本次掃描的穩(wěn)定值current_matrix以后，我們將其與上次得到的穩(wěn)定值previous_matrix作比較，從而確定與上次掃描時相比，此刻鍵盤上的按鍵情況是否發(fā)生了變化，以及此刻鍵盤上是否有鍵按下。如果發(fā)現(xiàn)鍵盤上沒有任何鍵被按下，則打開鍵盤中斷，再次切回到中斷模式。如果鍵盤上有鍵被按下，并且是不同于上次掃描到的被按下鍵，我們立刻調(diào)用按鍵處理函數(shù)process_key，它會調(diào)用鍵盤驅(qū)動中的上層函數(shù)handle_scancode。如果鍵盤上按下的鍵就是上次按下的那個鍵，我們將遞增一個計數(shù)器，當(dāng)這個計數(shù)器達(dá)到某個指定值以后，我們就啟動所謂的Autorepeat功能，即用戶一直按著某個鍵，驅(qū)動程序自動重復(fù)產(chǎn)生鍵盤輸入。該計數(shù)器在被按下鍵發(fā)生變化時置0。但是只要鍵盤上仍然有鍵處于被按下狀態(tài)，我們就將當(dāng)前讀到的鍵盤穩(wěn)定值current_matrix拷貝到previous_matrix中去，并且再次將前面描述的定時器對象掛到內(nèi)核定時器隊列中，過一段時間以后再次掃描整個鍵盤，直至鍵盤上沒有鍵被按下。

結(jié)束語

隨著信息社會以及計算機軟硬件技術(shù)的進步，嵌入式信息產(chǎn)品的設(shè)計和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，需要為自己的嵌入式Linux系統(tǒng)添加特殊鍵盤驅(qū)動的需求也越來越普遍。本文在介紹了Linux中鍵盤驅(qū)動程序的整體框架以后，以S3C2410開發(fā)板上的一個特殊鍵盤為例子，重點描述了在嵌入式Linux環(huán)境下，為特殊鍵盤編寫驅(qū)動程序時需要完成的工作，為類似的開發(fā)提供了一種思路和參考。