嵌入式 Linux和 PXA255為軟硬件平臺的鍵盤驅(qū)動設(shè)計

　1 鍵盤驅(qū)動程序的設(shè)計
　　隨著電子信息技術(shù)飛速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的各種設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用， 嵌入式 Linux是一種開放源碼、 軟實時、 多任務(wù)的操作系統(tǒng)，是開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作系統(tǒng)平臺，其中鍵盤是人機界面中人類監(jiān)控計算機重要數(shù)據(jù)輸入設(shè)備。實現(xiàn)鍵盤有兩種方法：一種是采用現(xiàn)有的一些芯片實現(xiàn)鍵盤掃描;二是用軟件實現(xiàn)鍵盤掃描。目前許多芯片可用來實現(xiàn)鍵盤掃描，但是鍵盤掃描的軟件實現(xiàn)方法有助于縮減系統(tǒng)的重復(fù)開發(fā)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為軟硬件平臺， 通過測試，表明其具有良好的穩(wěn)定性和實時性。
　　2 矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)與工作原理
　　本課題采用矩陣鍵盤， 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(dāng)有鍵按下，某個列 GPI O 口電平被下拉從而產(chǎn)生下降沿， 觸發(fā)中斷。其中按鍵行陣列必須提供上拉信號，列陣列加二極管，防止瞬間電流過大對 GPI O口造成沖擊。
　　
　　圖 1 矩陣鍵盤原理圖。
　　3 Linux鍵盤驅(qū)動簡介
　　在 Linux中， 鍵盤驅(qū)動被劃分成兩層來實現(xiàn)。上層是一個通用鍵盤抽象層， 下層則是硬件處理層， 主要對硬件進行直接的操作。鍵盤驅(qū)動程序上層公共部分在 driver /keyboard 。 c里。文件中最重要的是內(nèi)核用 EXPORT _SYM BOL這個宏導(dǎo)出的 handle_scancode函數(shù) 。在這個文件中還定義了其它的幾個回調(diào)函數(shù)，它們由鍵盤驅(qū)動程序中上層公共部分調(diào)用， 并且由底層硬件處理函數(shù)實現(xiàn)。鍵盤驅(qū)動程序的底層硬件處理部分則根據(jù)不同硬件有不同實現(xiàn)。
　　4 鍵盤驅(qū)動程序的實現(xiàn)
　　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(qū)動程序的入口從 kd_ctrl_init（ ）開始。當(dāng)內(nèi)核模塊加載的時候， 默認調(diào)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(shù)據(jù)長度為 0x400 ：
　　GPI O _ BASE = （ i nt） ioremap （ GPI O _ BASE _ P HY，0x400）;
　?。?2） 利用 request_ irq函數(shù)將外設(shè)的中斷服務(wù)例程掛載到外部中斷處理程序中。本系統(tǒng)中利用 request_irq函數(shù)分別為 4個列 GPI O口申請中斷資源， 分別占用了中斷號 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(shè)備名， MAGIC _DEVID是申請時告訴系統(tǒng)設(shè)備標志， 用于共享中斷線。返回值為 0表示申請成功。
　?。?3） 通過函數(shù) m isc_reg ister注冊一個鍵盤設(shè)備， 并分配主設(shè)備號和從設(shè)備號， 初始化一個環(huán)形隊列以及定義一個鍵盤控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中包括鍵值、鍵的狀態(tài)和長按標志。
　　應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備驅(qū)動的調(diào)用實際是對相應(yīng)設(shè)備文件進行操作， 利用 mknod命令將此節(jié)點與對應(yīng)設(shè)備建立聯(lián)系。
　?。?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(shè)備
　　應(yīng)用程序打開設(shè)備文件時， 會調(diào)用驅(qū)動中的 OPEN 函數(shù)， 此函數(shù)會對鍵盤所用到的行列 GPI O 口進行配置。打開的設(shè)備在內(nèi) 核中通過 file結(jié) 構(gòu)進行標識， 內(nèi)核 使用 fileopreati on ，通過上面的結(jié)構(gòu)中設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)的映射， 來調(diào)用驅(qū)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）初始化在后面用來喚醒后臺線程的信號量。
　?。?2） 調(diào)用初始化函數(shù) i n it_pxa_kdc（ ）來初始化 GPI O口，具體是把 行！的 GPI O 口設(shè)為輸出模式并設(shè)定值為 0 ， 把列！GPIO口設(shè)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(zhí)行任務(wù)的效率并不高， 如果把它們放在后臺調(diào)度，不管是對它們的函數(shù)還是對終端用戶進程都能得到較好的響應(yīng)。所以初始化 GPIO口后，開啟一個內(nèi)核線程 kd_ctrl_thread專門用于處理鍵盤事件， 其實也就是向系統(tǒng)申請了軟硬件資源。為了確保在該線程創(chuàng)建完成，使用 co m pleti on ，在 Linux內(nèi)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(wù)同步。我們利用 i n it_comp l e ti on（& kdc- 》 i n it_ex it）動態(tài)初始化一個線程創(chuàng)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(chuàng)建完成， 然后在進程創(chuàng)建結(jié)束后通過co m plete（& kdc- 》 i nit_ex it）確定事件已經(jīng)完成即后臺線程創(chuàng)建成功， 繼續(xù)執(zhí)行函數(shù) w ait_ for_ comp l e ti on之后的任務(wù)。
　　通過 ret = kerne l_t h read（ kd_c trl_ t hread ， kdc ， CLONE_FS |CLONE_FILES）創(chuàng)建后臺線程。