為了適應(yīng)嵌入式設(shè)備外設(shè)的多樣性，本文以特殊矩陣鍵盤為例，設(shè)計了一套完整的驅(qū)動控制模塊。硬件電路設(shè)計采用外擴(kuò)3片SN74HC 164芯片的方式，節(jié)省了GPIO引腳的使用，大大提高了利用效率。同時，在此基礎(chǔ)上引出了Linux內(nèi)核中input子系統(tǒng)的特性和工作機(jī)制，呈現(xiàn)了較為完整的輸入事件由內(nèi)核空間傳遞到用戶空間進(jìn)程的過程。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的驅(qū)動模塊具有良好的實時性和準(zhǔn)確性。

隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，嵌入式系統(tǒng)的研究開發(fā)逐漸成為熱點，Linux也以其開源、穩(wěn)定、可裁剪的優(yōu)勢成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流。在眾多的嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤成為一種應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備。然而，嵌入式設(shè)備的功能差異性又決定了為其提供一種通用性鍵盤是不可行的，往往需要根據(jù)系統(tǒng)的實際功能設(shè)計所需的特殊鍵盤，并實現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動程序。
S3C6410是三星公司高性能的32位RISC微處理器，內(nèi)部集成了多種強(qiáng)大的硬件加速器，適合進(jìn)行視頻和圖像處理，成為了目前嵌入式處理器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。本文以在S3C6410微處理器基礎(chǔ)上實現(xiàn)一個24鍵矩陣鍵盤為例，呈現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)中開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序的整體流程，并對Linux系統(tǒng)下輸入事件的底層傳遞機(jī)制進(jìn)行了研究和分析。

1 接口電路的設(shè)計
在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展鍵盤的常用方式是通過對CPU的GPIO端口進(jìn)行掃描實現(xiàn)的，顯然這種方式在鍵盤按鍵數(shù)目較多的情況下，會占用過多的GPIO資源，增加了GPIO端口資源較為緊張的嵌入式處理器的負(fù)擔(dān)。
本系統(tǒng)的硬件設(shè)計通過增加3片SN74HC164芯片來達(dá)到節(jié)約GPIO資源的目的。SN74HC164是一種8位的串行輸入、并行輸出移位寄存器，它的內(nèi)部由8個D觸發(fā)器串聯(lián)而成。每當(dāng)時鐘信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，兩個輸入端將當(dāng)前輸入信號傳送到并行輸出端，并實現(xiàn)移位操作。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

3個SN74HC164芯片串聯(lián)后，將它們的CLK引腳接到S3C6410開發(fā)板的GPE4端口上。第一個SN74HC164芯片的A、B輸入引腳共同接到開發(fā)板的GPE3端口上，并且將這兩個GPIO端口配置成輸出模式。GPE2端口與鍵盤按鍵的上拉端連接，系統(tǒng)運行時在中斷模式和輸入模式之間切換，以達(dá)到觸發(fā)中斷和對鍵盤掃描的目的。這樣我們就借助于3個SN74HC164移位寄存器，只占用3個GPIO端口，給掃描鍵盤的24個按鍵提供輸入信號，既節(jié)約了成本，又避免了GPIO資源的浪費。

2 掃描工作原理
擴(kuò)展硬件電路的同時給鍵盤驅(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，然后才能對電路進(jìn)行控制。該電路的輸出引腳被接到S3C6410的GPE2端口上，并且這個端口被配置成中斷源，無鍵按下時直接讀為高電位。鍵盤掃描時通過SN74HC164芯片先將鍵盤的24個鍵置低電平，任何一個鍵被按下，GPE2端口就會有從高電平到低電平的跳變，從而觸發(fā)一次中斷。
在中斷處理過程中，將GPE2端口置為輸入狀態(tài)。然后根據(jù)SN74HC164芯片的輸入／輸出特性，給串聯(lián)的3個SN74HC164芯片發(fā)送24個高電平信號，使得鍵盤的各鍵位均為高電平。在隨后的24個時鐘脈沖下，給SN74HC164芯片送入1個0和23個1，使得0在每個鍵位的輸入端都只出現(xiàn)一次，同時在GPE2端口進(jìn)行掃描。當(dāng)被按下鍵處于0輸入狀態(tài)時，其所在行就會讀到一個低電平，也就可以確定出鍵盤上哪個鍵被按下了。

3 驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)
在Linux2．6的版本中新加入了input子系統(tǒng)，給驅(qū)動編寫者提供了一個完整的輸入事件——從底層設(shè)備傳遞到用戶進(jìn)程的模型。本文基于input子系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了一個較為完善的特殊鍵盤驅(qū)動模塊。鍵盤驅(qū)動模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在input子系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)核模型中，最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是struct input_dev，作為驅(qū)動的主體，每個structinput_dev代表一個輸入設(shè)備。該結(jié)構(gòu)體中既包含了設(shè)備所能響應(yīng)的輸入事件類型、響應(yīng)按鍵種類、鍵盤碼表，以及坐標(biāo)范嗣等字段，同時還包含了設(shè)備打開、關(guān)閉以及回調(diào)函數(shù)等字段，能夠完整地記錄和標(biāo)識整個設(shè)備的功能與行為。在向內(nèi)核注冊input_dev之前，需要進(jìn)行input_dev結(jié)構(gòu)的初始化，同時向內(nèi)核申請鍵盤中斷。

首先設(shè)置輸入設(shè)備的功能，input_set_capability(&sim_key，EV_KEY，KEY_A)函數(shù)完成鍵盤A鍵的輸入使能，類似可完成B～X共24個按鍵的輸入使能。然后設(shè)置鍵盤的碼表。該鍵盤包含20個按鍵，碼表可表示為：statICunsigned char sim_keycode[24]={KEY_A，KEY_B，KEY_C，KEY_D，KEY_E，KEY_F，KEY_G，KEY_H，KEY_I，KEY_J，KEY_K，KEY_L，KEY_M，KEY_N，KEY_O，KEY_P，KEY_Q，KEY_R，KEY_S，KEY_T，KEY_U，KEY_V，KEY_W，KEY_X)。當(dāng)相應(yīng)鍵按下時，碼表中的鍵值將被作為鍵盤碼上報到用戶空間的進(jìn)程。初始化工作完成之后，調(diào)用函數(shù)input_register_device(&sim_kb)向內(nèi)核注冊輸入設(shè)備。
由于鍵盤設(shè)備的輸入是異步的，可能會在任何時間得到按鍵事件，所以需向內(nèi)核申請中斷以保證對鍵盤輸入的實時響應(yīng)。中斷函數(shù)完成鍵盤的掃描操作，并上報輸入事件到用戶進(jìn)程，是整個驅(qū)動模塊的功能主體。然而使用中斷會遇到一個問題，在鍵盤的掃描過程中，按鍵的每次按下和抬起都會有10～20 ms的毛刺抖動存在，會將用戶的一次按鍵操作誤當(dāng)作幾次按鍵來處理。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。去毛刺的一種常見的方法是在注冊輸入設(shè)備時定義一個定時器timer，當(dāng)觸發(fā)中斷時先關(guān)閉I／O中斷，然后啟動定時器，等跳過毛刺抖動以后再去調(diào)用掃描程序得到鍵值，并重新打開中斷。按鍵事件被發(fā)送到input子系統(tǒng)核心后通知給用戶進(jìn)程，從而實現(xiàn)查鍵過程。

4 基于input子系統(tǒng)的事件傳遞機(jī)制
實現(xiàn)底層驅(qū)動程序與用戶進(jìn)程通信的最主要的函數(shù)是input_event(struct input_dev * dev，unsigned int type，unsigned int code，int value)，也是input輸入子系統(tǒng)的核心，其實現(xiàn)機(jī)制如下。
Linux系統(tǒng)在啟動過程中會向系統(tǒng)核心注冊input_handler，一般將其稱為handler處理器，表示對輸入事件的具體處理，input_handler為輸入設(shè)備的功能實現(xiàn)了一個接口。在執(zhí)行input_register_device注冊輸入設(shè)備的時候，會自動將input_dev結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)中已注冊的input_
handler進(jìn)行遍歷匹配。與對應(yīng)的input_handler成功匹配后，Linux內(nèi)核自動創(chuàng)建evdev結(jié)構(gòu)體來表示輸入事件設(shè)備，該結(jié)構(gòu)中包含了input _handle等字段，作為連接input_dev與input_handler的媒介。其中Linux內(nèi)核中與鍵盤設(shè)備匹配的input_handler代碼為：
static struct input_handler evdev_handler={
．event=evdev_event，
．connect=evdev_connect，
．disconnect=evdev_disconnect，
．fops=＆evdev_fops，
．minor=EVDEV_MINOR_BASE，
．name=“evdev”，
．id_table=evdev_ids，
}；
evdev_event函數(shù)為事件處理函數(shù)，輸入設(shè)備所上報的事件通過evdev_handler中的evdev_event函數(shù)包裝成input_event標(biāo)準(zhǔn)輸入格式，并存放在evdev下的evdev_list緩沖區(qū)中，該結(jié)構(gòu)代碼如下：
struct input_event{
struct timeval time； ／／事件發(fā)生的時間
__u16 type； ／／事件類型
__u16 code； ／／子事件
__s32 value； ／／事件發(fā)生的相關(guān)值
}；
用戶進(jìn)程讀取鍵盤事件時即會按照此種特定格式進(jìn)行。值得注意的是，當(dāng)讀取事件為鼠標(biāo)輸入時，需要先后讀取X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)兩種數(shù)據(jù)，以完成完整的讀取操作。
在Linux系統(tǒng)中，所有的外設(shè)都是通過虛擬文件系統(tǒng)向應(yīng)用程序提供接口，所以每個具有獨立功能的外設(shè)在Linux系統(tǒng)中都對應(yīng)著相應(yīng)的設(shè)備文件。同時，在內(nèi)核中代表設(shè)備文件的結(jié)構(gòu)體包含了實現(xiàn)該設(shè)備功能的特定操作函數(shù)。
完成驅(qū)動模塊的安裝之后，Linux系統(tǒng)會在／devr目錄下自動創(chuàng)建輸入事件設(shè)備文件，本文中該設(shè)備名為event0。用戶進(jìn)程打開對應(yīng)的輸入事件設(shè)備文件event0，即可執(zhí)行相應(yīng)的文件操作，如rcad、ioctl等。文件操作函數(shù)最終要進(jìn)入內(nèi)核，并調(diào)用存儲在事件設(shè)備結(jié)構(gòu)體中的
evdev_handler．evdev_fops操作函數(shù)集完成對應(yīng)的文件操作。

例如用戶進(jìn)程在執(zhí)行rcad操作時，會調(diào)用內(nèi)核中evdev_fops->evdev_rcad函數(shù)，先判斷當(dāng)前輸入事件設(shè)備緩沖區(qū)中是否有待讀取的input _event事件。若緩沖區(qū)中無按鍵事件，進(jìn)程則放入等待隊列進(jìn)行睡眠，直到有按鍵事件產(chǎn)生并保存到緩沖區(qū)后，將睡眠進(jìn)程喚醒，調(diào)用copy_ to_user復(fù)制函數(shù)完成輸入事件從內(nèi)核空間到用戶空間的拷貝，從而實現(xiàn)讀取操作。

結(jié)語
通過以上分析可以得出，鍵盤設(shè)備所產(chǎn)生的輸入事件以input子系統(tǒng)為傳遞介質(zhì)，并通過虛擬文件系統(tǒng)接口得以通知用戶進(jìn)程。本文從鍵盤的驅(qū)動開發(fā)出發(fā)，呈現(xiàn)了較為完整的輸入事件由內(nèi)核空間傳遞到用戶空間進(jìn)程的過程，對于驅(qū)動開發(fā)者了解底層驅(qū)動的機(jī)制和更加有效地設(shè)計驅(qū)動模塊有著較為重要的意義。經(jīng)過測試，該鍵盤具有良好的響應(yīng)特性，并實現(xiàn)了所預(yù)期的功能。