嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)之：按鍵驅(qū)動程序?qū)嵗?/h1>

時間：2018-06-14 19:30:01

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LED和蜂鳴器是最簡單的GPIO的應(yīng)用，都不需要任何外部輸入或控制。按鍵同樣使用GPIO接口，但按鍵本身需要外部的輸入，即在驅(qū)動程序中要處理外部中斷。按鍵硬件驅(qū)動原理圖如圖11-7所示。在圖11-7的4×4矩陣按鍵（K1~K16）電路中，使用4個輸入/輸出端口（EINT0、EINT2、EINT11和EINT19）和4個輸出端口（KSCAN0~KSCAN3）。

圖11.7按鍵驅(qū)動電路原理圖

按鍵驅(qū)動電路使用的端口和對應(yīng)的寄存器如表11-18所示。

表11.18 按鍵電路的主要端口

管腳

端口

輸入/輸出

管腳

端口

輸入/輸出

KEYSCAN0

GPE11

輸出

EINT0

EINIT0/GPF0

輸入/輸出

KEYSCAN1

GPG6

輸出

EINT2

EINT2/GPF2

輸入/輸出

KEYSCAN2

GPE13

輸出

EINT11

EINT11/GPG3

輸入/輸出

KEYSCAN3

GPG2

輸出

EINT19

EINT19/GPG11

輸入/輸出

因為通常中斷端口是比較珍貴且有限的資源，所以在本電路設(shè)計中，16個按鍵復(fù)用了4個中斷線。那怎么樣才能及時而準確地對矩陣按鍵進行掃描呢？

某個中斷的產(chǎn)生表示，與它所對應(yīng)的矩陣行的4個按鍵中，至少有一個按鍵被按住了。因此可以通過查看產(chǎn)生了哪個中斷，來確定在矩陣的哪一行中發(fā)生了按鍵操作（按住或釋放）。例如，如果產(chǎn)生了外部2號線中斷（EINT2變?yōu)榈碗娖剑瑒t表示K7、K8、K9和K15中至少有一個按鍵被按住了。這時候4個EINT端口應(yīng)該通過GPIO配置寄存器被設(shè)置為外部中斷端口，而且4個KSCAN端口的輸出必須為低電平。

在確定按鍵操作所在行的位置之后，我們還得查看按鍵操作所在列的位置。此時要使用KSCAN端口組，同時將4個EINT端口配置為通用輸入端口（而不是中斷端口）。在4個KSCAN端口中，輪流將其中某一個端口的輸出置為低電平，其他3個端口的輸出置為高電平。這樣逐列進行掃描，直到按鍵所在列的KSCAN端口輸出為低電平，此時按鍵操作所在行的EINT管腳的輸入端口的值會變成低電平。例如，在確認產(chǎn)生了外部2號中斷之后，進行逐列掃描。若發(fā)現(xiàn)在KSCAN1為低電平時（其他端口輸出均為高電平），GPF2（EINT2管腳的輸入端口）變?yōu)榈碗娖?，則可以斷定按鍵K8被按住了。

以上的討論都是在按鍵的理想狀態(tài)下進行的，但實際的按鍵動作會在短時間（幾毫秒至幾十毫秒）內(nèi)產(chǎn)生信號抖動。例如，當(dāng)按鍵被按下時，其動作就像彈簧的若干次往復(fù)運動，將產(chǎn)生幾個脈沖信號。一次按鍵操作將會產(chǎn)生若干次按鍵中斷，從而會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象。因此驅(qū)動程序中必須要解決去除抖動所產(chǎn)生的毛刺信號的問題。

首先按鍵設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義如下所示：

/*butt_drv.h*/

……

typedefstruct_st_key_info_matrix/*按鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/

{

unsignedcharkey_id;/*按鍵ID*/

unsignedintirq_no;/*對應(yīng)的中斷號*/

unsignedintirq_gpio_port;/*對應(yīng)的中斷線的輸入端口地址*/

unsignedintkscan_gpio_port;/*對應(yīng)的KSCAN端口地址*/

}st_key_info_matrix;

typedefstruct_st_key_buffer/*按鍵緩沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/

{

unsignedlongjiffy[MAX_KEY_COUNT];/*按鍵時間,5s以前的銨鍵作廢*/

unsignedcharbuf[MAX_KEY_COUNT];/*按鍵緩沖區(qū)*/

unsignedinthead,tail;/*按鍵緩沖區(qū)頭和尾*/

}st_key_buffer;

……

下面是矩陣按鍵數(shù)組的定義，數(shù)組元素的信息（一個按鍵信息）按照0行0列，0行1列，…，3行2列，3行3列的順序逐行排列。

staticst_key_info_matrixkey_info_matrix[MAX_COLUMN][MAX_ROW]=

{

{{10,IRQ_EINT0,S3C2410_GPF0,S3C2410_GPE11},/*0行0列*/

{11,IRQ_EINT0,S3C2410_GPF0,S3C2410_GPG6},

{12,IRQ_EINT0,S3C2410_GPF0,S3C2410_GPE13},

{16,IRQ_EINT0,S3C2410_GPF0,S3C2410_GPG2}},

{{7,IRQ_EINT2,S3C2410_GPF2,S3C2410_GPE11},/*1行0列*/

{8,IRQ_EINT2,S3C2410_GPF2,S3C2410_GPG6},

{9,IRQ_EINT2,S3C2410_GPF2,S3C2410_GPE13},

{15,IRQ_EINT2,S3C2410_GPF2,S3C2410_GPG2}},

{{4,IRQ_EINT11,S3C2410_GPG3,S3C2410_GPE11},/*2行0列*/

{5,IRQ_EINT11,S3C2410_GPG3,S3C2410_GPG6},

{6,IRQ_EINT11,S3C2410_GPG3,S3C2410_GPE13},

{14,IRQ_EINT11,S3C2410_GPG3,S3C2410_GPG2}},

{{1,IRQ_EINT19,S3C2410_GPG11,S3C2410_GPE11},/*3行0列*/

{2,IRQ_EINT19,S3C2410_GPG11,S3C2410_GPG6},

{3,IRQ_EINT19,S3C2410_GPG11,S3C2410_GPE13},

{13,IRQ_EINT19,S3C2410_GPG11,S3C2410_GPG2}},

};

下面是與按鍵相關(guān)的端口的初始化函數(shù)。這些函數(shù)已經(jīng)在簡單的GPIO字符設(shè)備驅(qū)動程序里被使用過。此外，set_irq_type()函數(shù)用于設(shè)定中斷線的類型，在本實例中通過該函數(shù)將4個中斷線的類型配置為下降沿觸發(fā)式。

staticvoidinit_gpio(void)

{

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE11,S3C2410_GPE11_OUTP);/*GPE11*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11,0);

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPE13,S3C2410_GPE13_OUTP);/*GPE13*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE13,0);

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG2,S3C2410_GPG2_OUTP);/*GPG2*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG2,0);

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG6,S3C2410_GPG6_OUTP);/*GPG6*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6,0);

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF0,S3C2410_GPF0_EINT0);/*GPF0*/

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF2,S3C2410_GPF2_EINT2);/*GPF2*/

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG3,S3C2410_GPG3_EINT11);/*GPG3*/

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG11,S3C2410_GPG11_EINT19);/*GPG11*/

set_irq_type(IRQ_EINT0,IRQT_FALLING);

set_irq_type(IRQ_EINT2,IRQT_FALLING);

set_irq_type(IRQ_EINT11,IRQT_FALLING);

set_irq_type(IRQ_EINT19,IRQT_FALLING);

}

下面講解按鍵驅(qū)動的主要接口，以下為驅(qū)動模塊的入口和卸載函數(shù)。

/*初始化并添加structcdev結(jié)構(gòu)到系統(tǒng)之中*/

staticvoidbutton_setup_cdev(structcdev*dev,

intminor,structfile_operations*fops)

{

interr;

intdevno=MKDEV(button_major,minor);

cdev_init(dev,fops);/*初始化結(jié)構(gòu)體structcdev*/

dev->owner=THIS_MODULE;

dev->ops=fops;/*關(guān)聯(lián)到設(shè)備的file_operations結(jié)構(gòu)*/

err=cdev_add(dev,devno,1);/*將structcdev結(jié)構(gòu)添加到系統(tǒng)之中*/

if(err)

{

printk(KERN_INFO"Error%daddingbutton%dn",err,minor);

}

}

……

/*驅(qū)動初始化*/

staticintbutton_init(void)

{

intret;

/*將主設(shè)備號和次設(shè)備號定義到一個dev_t數(shù)據(jù)類型的結(jié)構(gòu)體之中*/

dev_tdev=MKDEV(button_major,0);

if(button_major)

{/*靜態(tài)注冊一個設(shè)備，設(shè)備號先前指定好，并設(shè)定設(shè)備名，用cat/proc/devices來查看*/

ret=register_chrdev_region(dev,1,BUTTONS_DEVICE_NAME);

}

else

{/*由系統(tǒng)動態(tài)分配主設(shè)備號*/

ret=alloc_chrdev_region(&dev,0,1,BUTTONS_DEVICE_NAME);

button_major=MAJOR(dev);/*獲得主設(shè)備號*/

}

if(ret<0)

{

printk(KERN_WARNING"Button:unabletogetmajor%dn",button_major);

returnret;

}

/*初始化和添加結(jié)構(gòu)體structcdev到系統(tǒng)之中*/

button_setup_cdev(&button_dev,0,&button_fops);

printk("Buttondriverinitialized.n");

return0;

}

/*驅(qū)動卸載*/

staticvoid__exitbutton_exit(void)

{

cdev_del(&button_dev);/*刪除結(jié)構(gòu)體structcdev*/

/*卸載設(shè)備驅(qū)動所占有的資源*/

unregister_chrdev_region(MKDEV(button_major,0),1);

printk("Buttondriveruninstalledn");

}

module_init(button_init);/*初始化設(shè)備驅(qū)動程序的入口*/

module_exit(button_exit);/*卸載設(shè)備驅(qū)動程序的入口*/

MODULE_AUTHOR("David");

MODULE_LICENSE("DualBSD/GPL");

按鍵字符設(shè)備的file_operations結(jié)構(gòu)定義為：

staticstructfile_operationsbutton_fops=

{

.owner=THIS_MODULE,

.ioctl=button_ioctl,

.open=button_open,

.read=button_read,

.release=button_release,

};

以下為open和release函數(shù)接口的實現(xiàn)。

/*打開文件,申請中斷*/

staticintbutton_open(structinode*inode,structfile*filp)

{

intret=nonseekable_open(inode,filp);

if(ret<0)

{

returnret;

}

init_gpio();/*相關(guān)GPIO端口的初始化*/

ret=request_irqs();/*申請4個中斷*/

if(ret<0)

{

returnret;

}

init_keybuffer();/*初始化按鍵緩沖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/

returnret;

}

/*關(guān)閉文件,屏蔽中斷*/

staticintbutton_release(structinode*inode,structfile*filp)

{

free_irqs();/*屏蔽中斷*/

return0;

}

在open函數(shù)接口中，進行了GPIO端口的初始化、申請硬件中斷以及按鍵緩沖的初始化等工作。在以前的章節(jié)中提過，中斷端口是比較寶貴而且數(shù)量有限的資源。因此需要注意，最好要在第一次打開設(shè)備時申請（調(diào)用request_irq函數(shù)）中斷端口，而不是在驅(qū)動模塊加載的時候申請。如果已加載的設(shè)備驅(qū)動占用而在一定時間段內(nèi)不使用某些中斷資源，則這些資源不會被其他驅(qū)動所使用，只能白白浪費掉。而在打開設(shè)備的時候（調(diào)用open函數(shù)接口）申請中斷，則不同的設(shè)備驅(qū)動可以共享這些寶貴的中斷資源。

以下為中斷申請和釋放的部分以及中斷處理函數(shù)。

/*中斷處理函數(shù),其中irq為中斷號*/

staticirqreturn_tbutton_irq(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs)

{

unsignedcharucKey=0;

disable_irqs();/*屏蔽中斷*/

/*延遲50ms,屏蔽按鍵毛刺*/

udelay(50000);

ucKey=button_scan(irq);/*掃描按鍵，獲得進行操作的按鍵的ID*/

if((ucKey>=1)&&(ucKey<=16))

{

/*如果緩沖區(qū)已滿,則不添加*/

if(((key_buffer.head+1)&(MAX_KEY_COUNT-1))!=key_buffer.tail)

{

spin_lock_irq(&buffer_lock);

key_buffer.buf[key_buffer.tail]=ucKey;

key_buffer.jiffy[key_buffer.tail]=get_tick_count();

key_buffer.tail++;

key_buffer.tail&=(MAX_KEY_COUNT-1);

spin_unlock_irq(&buffer_lock);

}

}

init_gpio();/*初始化GPIO端口，主要是為了恢復(fù)中斷端口配置*/

enable_irqs();/*開啟中斷*/

returnIRQ_HANDLED;/*2.6內(nèi)核返回值一般是這個宏*/

}

/*申請4個中斷*/

staticintrequest_irqs(void)

{

intret,i,j;

for(i=0;i<MAX_COLUMN;i++)

{

ret=request_irq(key_info_matrix[i][0].irq_no,

button_irq,SA_INTERRUPT,BUTTONS_DEVICE_NAME,NULL);

if(ret<0)

{

for(j=0;j<i;j++)

{

free_irq(key_info_matrix[j][0].irq_no,NULL);

}

return-EFAULT;

}

}

return0;

}

/*釋放中斷*/

static__inlinevoidfree_irqs(void)

{

inti;

for(i=0;i<MAX_COLUMN;i++)

{

free_irq(key_info_matrix[i][0].irq_no,NULL);

}

}

中斷處理函數(shù)在每次中斷產(chǎn)生的時候會被調(diào)用，因此它的執(zhí)行時間要盡可能得短。通常中斷處理函數(shù)只是簡單地喚醒等待資源的任務(wù)，而復(fù)雜且耗時的工作則讓這個任務(wù)去完成。中斷處理函數(shù)不能向用戶空間發(fā)送數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)，不能做任何可能發(fā)生睡眠的操作，而且不能調(diào)用schedule()函數(shù)。

為了簡單起見，而且考慮到按鍵操作的時間比較長，在本實例中的中斷處理函數(shù)button_irq()里，通過調(diào)用睡眠函數(shù)來消除毛刺信號。讀者可以根據(jù)以上介紹的對中斷處理函數(shù)的要求改進該部分代碼。

按鍵掃描函數(shù)如下所示。首先根據(jù)中斷號確定操作按鍵所在行的位置，然后采用逐列掃描法最終確定操作按鍵所在的位置。

/*

**進入中斷后,掃描銨鍵碼

**返回:按鍵碼(1～16),0xff表示錯誤

*/

static__inlineunsignedcharbutton_scan(intirq)

{

unsignedcharkey_id=0xff;

unsignedcharcolumn=0xff,row=0xff;

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF0,S3C2410_GPF0_INP);/*GPF0*/

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPF2,S3C2410_GPF2_INP);/*GPF2*/

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG3,S3C2410_GPG3_INP);/*GPG3*/

s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG11,S3C2410_GPG11_INP);/*GPG11*/

switch(irq)

{/*根據(jù)irq值確定操作按鍵所在行的位置*/

caseIRQ_EINT0:

{

column=0;

}

break;

caseIRQ_EINT2:

{

column=1;

}

break;

caseIRQ_EINT11:

{

column=2;

}

break;

caseIRQ_EINT19:

{

column=3;

}

break;

}

if(column!=0xff)

{/*開始逐列掃描，掃描第0列*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11,0);/*將KSCAN0置為低電平*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE13,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG2,1);

if(!s3c2410_gpio_getpin(key_info_matrix[column][0].irq_gpio_port))

{/*觀察對應(yīng)的中斷線的輸入端口值*/

key_id=key_info_matrix[column][0].key_id;

returnkey_id;

}

/*掃描第1列*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6,0);/*將KSCAN1置為低電平*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE13,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG2,1);

if(!s3c2410_gpio_getpin(key_info_matrix[column][1].irq_gpio_port))

{

key_id=key_info_matrix[column][1].key_id;

returnkey_id;

}

/*掃描第2列*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE13,0);/*將KSCAN2置為低電平*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG2,1);

if(!s3c2410_gpio_getpin(key_info_matrix[column][2].irq_gpio_port))

{

key_id=key_info_matrix[column][2].key_id;

returnkey_id;

}

/*掃描第3列*/

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE13,1);

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG2,0);/*將KSCAN3置為低電平*/

if(!s3c2410_gpio_getpin(key_info_matrix[column][3].irq_gpio_port))

{

key_id=key_info_matrix[column][3].key_id;

returnkey_id;

}

}

returnkey_id;

}

以下是read函數(shù)接口的實現(xiàn)。首先在按鍵緩沖中刪除已經(jīng)過時的按鍵操作信息，接下來，從按鍵緩沖中讀取一條信息（按鍵ID）并傳遞給用戶層。

/*從緩沖刪除過時數(shù)據(jù)(5s前的按鍵值)*/

staticvoidremove_timeoutkey(void)

{

unsignedlongtick;

spin_lock_irq(&buffer_lock);/*獲得一個自旋鎖*/

while(key_buffer.head!=key_buffer.tail)

{

tick=get_tick_count()-key_buffer.jiffy[key_buffer.head];

if(tick<5000)/*5s*/

break;

key_buffer.buf[key_buffer.head]=0;

key_buffer.jiffy[key_buffer.head]=0;

key_buffer.head++;

key_buffer.head&=(MAX_KEY_COUNT-1);

}

spin_unlock_irq(&buffer_lock);/*釋放自旋鎖*/

}

/*讀鍵盤*/

staticssize_tbutton_read(structfile*filp,

char*buffer,size_tcount,loff_t*f_pos)

{

ssize_tret=0;

remove_timeoutkey();/*刪除過時的按鍵操作信息*/

spin_lock_irq(&buffer_lock);

while((key_buffer.head!=key_buffer.tail)&&(((size_t)ret)<count))

{

put_user((char)(key_buffer.buf[key_buffer.head]),&buffer[ret]);

key_buffer.buf[key_buffer.head]=0;

key_buffer.jiffy[key_buffer.head]=0;

key_buffer.head++;

key_buffer.head&=(MAX_KEY_COUNT-1);

ret++;

}

spin_unlock_irq(&buffer_lock);

returnret;

}

以上介紹了按鍵驅(qū)動程序中的主要內(nèi)容。

按鍵驅(qū)動程序的測試程序所下所示。在測試程序中，首先打開按鍵設(shè)備文件和gpio設(shè)備（包括4個LED和蜂鳴器）文件，接下來，根據(jù)按鍵的輸入值（按鍵ID）的二進制形式，LEDD9~D12發(fā)亮（例如，按下11號按鍵，則D9、D10和D12會發(fā)亮），而蜂鳴器當(dāng)每次按鍵時發(fā)出聲響。

/*butt_test.c*/

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<stdio.h>

#include<sys/time.h>

#include<sys/types.h>

#include<unistd.h>

#include<asm/delay.h>

#include"butt_drv.h"

#include"gpio_drv.h"

main()

{

intbutt_fd,gpios_fd,i;

unsignedcharkey=0x0;

butt_fd=open(BUTTONS_DEVICE_FILENAME,O_RDWR);/*打開按鈕設(shè)備*/

if(butt_fd==-1)

{

printf("Openbuttondevicebuttonerrr!n");

return0;

}

gpios_fd=open(GPIO_DEVICE_FILENAME,O_RDWR);/*打開GPIO設(shè)備*/

if(gpios_fd==-1)

{

printf("Openbuttondevicebuttonerrr!n");

return0;

}

ioctl(butt_fd,0);/*清空鍵盤緩沖區(qū),后面參數(shù)沒有意義*/

printf("PressNo.16keytoexitn");

do

{

if(read(butt_fd,&key,1)<=0)/*讀鍵盤設(shè)備，得到相應(yīng)的鍵值*/

{

continue;

}

printf("KeyValue=%dn",key);

for(i=0;i<LED_NUM;i++)

{

if((key&(1<<i))!=0)

{

ioctl(gpios_fd,LED_D09_SWT+i,LED_SWT_ON);/*LED發(fā)亮*/

}

}

ioctl(gpios_fd,BEEP_SWT,BEEP_SWT_ON);/*發(fā)聲*/

sleep(1);

for(i=0;i<LED_NUM;i++)

{

ioctl(gpios_fd,LED_D09_SWT+i,LED_SWT_OFF);/*LED熄滅*/

}

ioctl(gpios_fd,BEEP_SWT,BEEP_SWT_OFF);

}while(key!=16);/*按16號鍵則退出*/

close(gpios_fd);

close(butt_fd);

return0;

}

首先編譯和加載按鍵驅(qū)動程序，而且要創(chuàng)建設(shè)備文件節(jié)點。

$makeclean;make/*驅(qū)動程序的編譯*/

$insmodbutt_dev.ko/*加載buttons設(shè)備驅(qū)動*/

$cat/proc/devices/*通過這個命令可以查到buttons設(shè)備的主設(shè)備號*/

$mknod/dev/buttonsc2520/*假設(shè)主設(shè)備號為252，創(chuàng)建設(shè)備文件節(jié)點*/

接下來，編譯和加載GPIO驅(qū)動程序，而且要創(chuàng)建設(shè)備文件節(jié)點。

$makeclean;make/*驅(qū)動程序的編譯*/

$insmodgpio_drv.ko/*加載GPIO驅(qū)動*/

$cat/proc/devices/*通過這個命令可以查到GPIO設(shè)備的主設(shè)備號*/

$mknod/dev/gpioc2510/*假設(shè)主設(shè)備號為251，創(chuàng)建設(shè)備文件節(jié)點*/

然后編譯并運行驅(qū)動測試程序。

$arm-linux-gcc–obutt_testbutt_test.c

$./butt_test