实现了多键齐按和重复按键的嵌入式系统键盘驱动设计

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。

4.3等待键盘事件

后台线程一旦创建和初始化完成， 就会进入一个无条件的 for循 环， 通 过 set _ task _ state （ tsk ， TASK _ INTERRUPTIBLE） 将此线程推入可中断睡眠的队列，调用 schedule ti m eou t （H Z/100）来实现 15毫秒的进程挂起。此时让出 CPU，直到中断事件来临或睡眠超过规定时间后再重新执行。线程一旦被唤醒即按照顺序先利用 set_kdc_gp io （ KDC _COL_PI NS ， 1 ， PI NS _MODE _ENABLEI NTERRUPT， 0） 使 所有列GPI O 口中断， 接着调用 down _ i nterrupti b l e （ & kdc- 》 irq _wa it）： 该函数的作用是获得信号量 irq_wa it ， 把 irq_ w a i t的值减掉 1 ， 如果信号量 irq_wa it的值非负， 就直接返回，如果获取失败键盘线程将以 TASK_I NTERRUPTIBLE状态进入可中断睡眠，直到下次键盘事件利用信号量 irq_ w a it唤醒此线程才能继续运行。因此，驱动程序在没有按键按下时将阻塞自己的执行，不消耗任何的 CPU资源。

4.4 键盘事件发生

一旦有按键事件发生也就是产生一个中断， 则进入中断处理程序 kd_ctr l _ irq（ ）， 在这个函数中所做的工作如图 2。

图 2 中断处理程序 kd_ ctrl_irq（ ）

唤醒后台线程后，把列 GPI O口中断禁止， 随即调用 kd_ctrl_event（ ）进行处理键盘事件。其中又调用 pxa _kdc _scan（ ）进行键值的扫描： 设定 4 ［1］ 4小键盘的所有行 GPI O 口为输出状态，并设定它的值为 1 ，而所有列 GPIO口作为输入状态，然后采用逐行扫描的方法， 依次去读取四根列 GPI O 口状态，如果某列 GPIO 口电平为低， 就表示此行此列有键按下，根据行号和列号从对应的二维数组 （也就是键值映射表 ）中找到该键 的键值。具体 实现方法 为： 先设第 一行（ GPI O7）为 0 ， 扫描列的值 （ GPI O3 、 GPI O2 、GPI O1、 GPI O0），如果其中一个列的值为 0 ， 比如 GPI O3 ， 则按下的键是 Key _5。扫描完列后，把第一行设为 1。第二行设为 0 ， 再次扫描所有列的值。扫描结 束后， 设 定所有 行 （ GPI O7 、GPI O6 、GPI O5 、 GPI O4）的值为 0 ， 并且再次恢复所有列为中断方式，设定下降沿有效。最后返回的是代表按键是否按下的参数pressure值。得到此值以后，调用 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 ）函数把所得值保存在对应的结构中，并将其添加到事件队列中， 最后调用 w ake_up_ i nterrupti ble（ & kdc- 》 read _ w a it）利用信号量 read_ w a it通知 read程序到缓冲区读取新数据。

4.5应用程序读取键盘数据

由于用户程序需要不断轮询设备，以查询是否有数据读取， 如果程序不处于休眠状态， 则将会占用很多 CPU 的资源。因此当没有触摸数据时， 就阻塞此任务。此时用户空间则需要和内核同步， 代码会需要睡眠， 使用信号量是唯一的选择， 并且它适用于锁会被长时间持有的情况。如果有一个任务试图获得一个已经被占用的信号量时，信号量会先将其中推进一个等待队列， 然后让其睡眠。这时 CPU 能重获自由， 从而可以执行其他代码。当持有信号量的进程将信号量释放时， 处于等待队列中的那个任务将会被唤醒， 并获得该信号量。

等待队列是由等待某些事件发生的进程组成的简单链表。内核用 w ake_queue_head_t来表示等待队列。等待队列可通过 DECLARE _WAI TQUEUE （ ）静态创建。一旦上层用户程序进行读操作， 系统调用将通过 kd_ctrl_read （ ）函数来实现。

4.6 模块卸载

当内核需要卸载本驱动程序时， 最后会从本函数退出。

此时通过 modul e_ i nit（ kd_ctrl_ i n it）函数需要将在驱动程序运行期间申请的系统资源全部释放掉，可以防止资源浪费。

5 结束语

本文介绍的嵌入式 Linux的一种矩阵小键盘， 成功实现了多键齐按和重复按键的功能， 已经用于手持嵌入式设备中， 实验证明性能稳定可靠。