一個嵌入式Linux系統(tǒng)的鍵盤驅動實現

1 引言

Linux 由于其具有內核強大且穩(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)者需要根據實際情況，為自己的特殊鍵盤編寫驅動程序。

2 Linux鍵盤驅動簡介

Linux 中的大多數驅動程序都采用了層次型的體系結構，鍵盤驅動程序也不例外。在Linux中，鍵盤驅動被劃分成兩層來實現。其中，上層是一個通用的鍵盤抽象層， 完成鍵盤驅動中不依賴于底層具體硬件的一些功能，并且負責為底層提供服務；下層則是硬件處理層，與具體硬件密切相關，主要負責對硬件進行直接操作。鍵盤驅 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核用EXPORT_SYMBOL這個宏導出的 handle_scancode函數。handle_scancode完成的功能是：首先將掃描碼轉換成鍵碼，接著根據shift, alt等擴展鍵的按下情況將鍵碼轉換成目標碼，一般情況下是ASCII碼，最后將該ASCII碼放到終端設備的緩沖區(qū)中，并且調度一個tasklet負責 將其在顯示器上回顯出來。可以看出，這個函數完成的是鍵盤驅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，并且導出給底層的硬件處理函數調用。在這個文件中還定義了其它幾個回調函數，它們由鍵盤驅動程序中的上層公共部分調用，并由底層硬件處理函數實現。比 如kbd_init_hw， kbd_translate, kbd_unexpected_up等等。其中kbd_translate由handle_scancode調用，負責將掃描碼轉換成鍵碼；鍵盤驅動程序 的底層硬件處理部分則根據不同的硬件有不同的實現。例如PC平臺上標準鍵盤的底層硬件處理函數都集中在driver/Pc_keyb.c中。這個文件包括 了鍵盤中斷處理函數keyboard_interrupt，掃描碼到鍵碼轉換函數pckbd_translate等其他一些與底層硬件密切相關的函數。

在這種體系結構下，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 驅動程序中的底層硬件處理函數，就可以將該鍵盤驅動起來。一般說來，底層硬件處理函數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 為參數調用handle_scancode，該掃描碼可以自己定義，但它必須唯一地標識出被按下鍵在鍵盤上的位置。此外，開發(fā)者還需要提供對應的從自定義 掃描碼到鍵碼的轉換函數kbd_translate。具體的鍵碼轉換，將目標碼放到終端的輸入緩沖區(qū)，以及回顯等工作都由handle_scancode 負責完成。在此我們也可以看出，內核導出函數handle_scancode在整個鍵盤驅動程序中，起著將上層通用抽象層和底層硬件處理層粘和起來的關鍵 作用。

3 應用實例

下面我們將以一個具體的應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動程序的具體過程。

3.1 硬件模塊描述

本 系統(tǒng)的構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 成。SN74hc164是一個8位的串形輸入并形輸出移位寄存器，它的內部由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動程序的實現帶來了一 定的麻煩，驅動程序首先要將SN74hc164驅動起來，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。

3.2 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，需要在對應的GPIO控制寄存器中設置正確的值，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設置成SN74hc164的輸入端，需要將GPBCON這個控制字中2，3兩位設置成二進制的 01，為了將GPG6設置成電壓低跳變中斷源，需要將GPGCON中12，13兩位設置成二進制的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注冊到系統(tǒng)，然后設置好一個定時器結構，以便在中斷發(fā)生時將其掛到內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，然后調用內核導出函數handle_scancode。在這個應用 中，該特殊鍵盤的布局與PC標準鍵盤的布局比較相似，所以我們直接將PC鍵盤上對應鍵的系統(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 驅動程序中掃描碼到鍵碼的轉換函數pckbd_translate作為我們的kbd_translate函數。

確 定哪一個鍵被按下的算法如下。在中斷到來時，我們已經可以根據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一次，于此同時在鍵盤行端口進行掃描。當被按下鍵所在列置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：