有限狀態(tài)機的嵌入式Linux按鍵驅動設計
[導讀]有限狀態(tài)機的嵌入式Linux按鍵驅動設計
0 引言
一般的按鍵驅動程序通常非常簡單。在程序中一旦檢測到按鍵輸入口為低電平時，就采用軟件延時10 ms后再次檢測按鍵輸入口。如果仍然是低電平則表示有按鍵按下，便轉入執(zhí)行按鍵處理程序；否則，當按鍵輸入口為高電平，就會放棄本次按鍵的檢測，重新開始一次按鍵檢測過程。這種方式不僅由于采用了軟件延時而使得MCU的效率降低，同時也不容易同系統(tǒng)中其他功能模塊協(xié)調(diào)工作，且系統(tǒng)的實時性也差。本文把單個按鍵作為一個簡單的系統(tǒng)，根據(jù)狀態(tài)機的原理對其動作的操作和確認的過程進行分析，并用狀態(tài)圖表示出來，然后根據(jù)狀態(tài)圖編寫出按鍵接口程序。
1 基于狀態(tài)機的簡單按鍵驅動設計
在一個嵌入式系統(tǒng)中，按鍵的操作是隨機的。為了提高CPU的工作效率，在設計按鍵驅動的時候，利用S3C2440的外部中斷來實現(xiàn)對按鍵的處理。很明顯，系統(tǒng)的輸入信號與按鍵連接的I／O口電平，“1”表示按鍵處于開放狀態(tài)，“0”表示按鍵處于閉合狀態(tài)。而系統(tǒng)的輸出信號則表示檢測和確認到一次按鍵的閉合操作，用“1”表示。
圖1給出了一個簡單按鍵狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖。
在圖中，將1次按鍵完整的操作分解為3個狀態(tài)。其中，狀態(tài)0為按鍵的初始狀態(tài)，當按鍵輸入為“1”時，表示按鍵處于開放，輸出“0”(I／0)，下一狀態(tài)仍為狀態(tài)0；當按鍵輸入為“0”時，表示按鍵閉合，但輸出還是“0”(沒有經(jīng)過消抖，不能確認按鍵真正按下)，下一狀態(tài)進入狀態(tài)1。
狀態(tài)1為按鍵閉合確認狀態(tài)，它表示在10 ms前按鍵為閉合的，因此當再次檢測到按鍵輸入為“0”時，可以確認按鍵被按下了(經(jīng)過10 ms的消抖)；輸出“1”則表示確認按鍵閉合(0／1)，下一狀態(tài)進入狀態(tài)2。而當再次檢測到按鍵的輸入為“1”時，表示按鍵可能處在抖動干擾；輸出為“0”(I／0)，下一狀態(tài)返回到狀態(tài)0。這樣，利用狀態(tài)1，實現(xiàn)了按鍵的消抖處理。狀態(tài)2為等待按鍵釋放狀態(tài)，因為只有等按鍵釋放后，一次完整的按鍵操作過程才算完成。
對圖1的分析可知，在一次按鍵操作的整個過程中，按鍵的狀態(tài)是從狀態(tài)0→狀態(tài)1→狀態(tài)2，最后返回到狀態(tài)0的，并且在整個過程中，按鍵的輸出信號僅在狀態(tài)1時給出了唯一的一次確認按鍵閉合的信號“1”，其他狀態(tài)均輸出“0”。因此，圖1狀態(tài)機所表示的按鍵系統(tǒng)，不僅克服了按鍵抖動的問題，同時也確保在一次按鍵的整個過程中，系統(tǒng)只輸出一次按鍵閉合信號(“1”)。
2 具有連發(fā)功能的按鍵驅動設計
上面介紹的是最簡單的情況，不管按鍵被按下的時間保持多長，在這個按鍵的整個過程中都只給出了一次確認的輸出。但是有些場合為了方便使用者，根據(jù)使用者按按鍵的時間多少來確定是否按鍵“連發(fā)”。例如，在設置時鐘時，按按鍵的時間較短時，設置加1；按按鍵時間較長時，設置加10，這時就需要根據(jù)按按鍵的時間長短來確定具體輸出。圖2是將按鍵驅動設計為具有連發(fā)功能狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖。
當按鍵按下后1 s內(nèi)釋放了，系統(tǒng)輸出為1；當按鍵按下后1 s沒有釋放，那么以后每隔0.5 s，輸出為2，直到按鍵釋放為止。如果系統(tǒng)輸出1，應用程序將變量加1；如果系統(tǒng)輸出2，應用程序將變量加10。這樣按鍵驅動就有了處理連發(fā)按鍵的功能了。
3 程序設計
由于篇幅所限，下面只給出按鍵驅動的關鍵程序，按鍵中斷處理程序和時間處理函數(shù)：[!--empirenews.page--]
這里的定時函數(shù)使用了Linux的內(nèi)核定時器。使用內(nèi)核定時器可以方便地實現(xiàn)每個狀態(tài)的特定定時時間，并且安全釋放CPU，提高CPU的效率。程序的基本思路是，首先按鍵被按下進入按鍵中斷服務程序buttons_interrupt()，在中斷服務程序里確定按鍵狀態(tài)是否為初始態(tài)。如果是，則進行kbd_timer初始化且使按鍵狀態(tài)轉為消抖狀態(tài)。當kbd_timer定時到以后，按鍵檢測按鍵狀態(tài)是否仍處于按下時轉換狀態(tài)為按鍵確定狀態(tài)，如果不是則恢復初始態(tài)。當定時器1 s到達后，判斷按鍵是否仍是按下。如是則轉換為連發(fā)狀態(tài)，否則恢復初始態(tài)。當0.5 s到達后，重新判斷按鍵是否仍是按下。如是，則繼續(xù)為連發(fā)狀態(tài)，輸出值加10；如果按鍵抬起，則恢復初始態(tài)。
4 實驗結果
該驅動程序經(jīng)過gcc-arm-liunx-3.4.4編譯，并在Micro2440SDK開發(fā)板上運行(開發(fā)板上的系統(tǒng)版本為linux2.6.13)，運行結果如圖3所示。
從運行結果可以看出，如果按下按鍵并在1 s抬起，輸出值每次只加1；如果按下按鍵超過1 s，系統(tǒng)的輸出值每隔0.5s將加10。說明本驅動運行正常，且具有了連發(fā)功能。
結 語
本文主要分析了按鍵有限狀態(tài)機的工作過程，并利用Liunx內(nèi)核定時器實現(xiàn)了狀態(tài)機的狀態(tài)轉換時間間隔，最后給出了基于有限狀態(tài)機的具有連發(fā)功能Linux驅動編寫代碼，實現(xiàn)了具有連發(fā)功能的按鍵驅動，為基于有限狀態(tài)機的按鍵驅動提供了一種解決思路。
一般的按鍵驅動程序通常非常簡單。在程序中一旦檢測到按鍵輸入口為低電平時，就采用軟件延時10 ms后再次檢測按鍵輸入口。如果仍然是低電平則表示有按鍵按下，便轉入執(zhí)行按鍵處理程序；否則，當按鍵輸入口為高電平，就會放棄本次按鍵的檢測，重新開始一次按鍵檢測過程。這種方式不僅由于采用了軟件延時而使得MCU的效率降低，同時也不容易同系統(tǒng)中其他功能模塊協(xié)調(diào)工作，且系統(tǒng)的實時性也差。本文把單個按鍵作為一個簡單的系統(tǒng)，根據(jù)狀態(tài)機的原理對其動作的操作和確認的過程進行分析，并用狀態(tài)圖表示出來，然后根據(jù)狀態(tài)圖編寫出按鍵接口程序。
1 基于狀態(tài)機的簡單按鍵驅動設計
在一個嵌入式系統(tǒng)中，按鍵的操作是隨機的。為了提高CPU的工作效率，在設計按鍵驅動的時候，利用S3C2440的外部中斷來實現(xiàn)對按鍵的處理。很明顯，系統(tǒng)的輸入信號與按鍵連接的I／O口電平，“1”表示按鍵處于開放狀態(tài)，“0”表示按鍵處于閉合狀態(tài)。而系統(tǒng)的輸出信號則表示檢測和確認到一次按鍵的閉合操作，用“1”表示。
圖1給出了一個簡單按鍵狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖。
在圖中，將1次按鍵完整的操作分解為3個狀態(tài)。其中，狀態(tài)0為按鍵的初始狀態(tài)，當按鍵輸入為“1”時，表示按鍵處于開放，輸出“0”(I／0)，下一狀態(tài)仍為狀態(tài)0；當按鍵輸入為“0”時，表示按鍵閉合，但輸出還是“0”(沒有經(jīng)過消抖，不能確認按鍵真正按下)，下一狀態(tài)進入狀態(tài)1。
狀態(tài)1為按鍵閉合確認狀態(tài)，它表示在10 ms前按鍵為閉合的，因此當再次檢測到按鍵輸入為“0”時，可以確認按鍵被按下了(經(jīng)過10 ms的消抖)；輸出“1”則表示確認按鍵閉合(0／1)，下一狀態(tài)進入狀態(tài)2。而當再次檢測到按鍵的輸入為“1”時，表示按鍵可能處在抖動干擾；輸出為“0”(I／0)，下一狀態(tài)返回到狀態(tài)0。這樣，利用狀態(tài)1，實現(xiàn)了按鍵的消抖處理。狀態(tài)2為等待按鍵釋放狀態(tài)，因為只有等按鍵釋放后，一次完整的按鍵操作過程才算完成。
對圖1的分析可知，在一次按鍵操作的整個過程中，按鍵的狀態(tài)是從狀態(tài)0→狀態(tài)1→狀態(tài)2，最后返回到狀態(tài)0的，并且在整個過程中，按鍵的輸出信號僅在狀態(tài)1時給出了唯一的一次確認按鍵閉合的信號“1”，其他狀態(tài)均輸出“0”。因此，圖1狀態(tài)機所表示的按鍵系統(tǒng)，不僅克服了按鍵抖動的問題，同時也確保在一次按鍵的整個過程中，系統(tǒng)只輸出一次按鍵閉合信號(“1”)。
2 具有連發(fā)功能的按鍵驅動設計
上面介紹的是最簡單的情況，不管按鍵被按下的時間保持多長，在這個按鍵的整個過程中都只給出了一次確認的輸出。但是有些場合為了方便使用者，根據(jù)使用者按按鍵的時間多少來確定是否按鍵“連發(fā)”。例如，在設置時鐘時，按按鍵的時間較短時，設置加1；按按鍵時間較長時，設置加10，這時就需要根據(jù)按按鍵的時間長短來確定具體輸出。圖2是將按鍵驅動設計為具有連發(fā)功能狀態(tài)機的狀態(tài)轉換圖。
當按鍵按下后1 s內(nèi)釋放了，系統(tǒng)輸出為1；當按鍵按下后1 s沒有釋放，那么以后每隔0.5 s，輸出為2，直到按鍵釋放為止。如果系統(tǒng)輸出1，應用程序將變量加1；如果系統(tǒng)輸出2，應用程序將變量加10。這樣按鍵驅動就有了處理連發(fā)按鍵的功能了。
3 程序設計
由于篇幅所限，下面只給出按鍵驅動的關鍵程序，按鍵中斷處理程序和時間處理函數(shù)：[!--empirenews.page--]
這里的定時函數(shù)使用了Linux的內(nèi)核定時器。使用內(nèi)核定時器可以方便地實現(xiàn)每個狀態(tài)的特定定時時間，并且安全釋放CPU，提高CPU的效率。程序的基本思路是，首先按鍵被按下進入按鍵中斷服務程序buttons_interrupt()，在中斷服務程序里確定按鍵狀態(tài)是否為初始態(tài)。如果是，則進行kbd_timer初始化且使按鍵狀態(tài)轉為消抖狀態(tài)。當kbd_timer定時到以后，按鍵檢測按鍵狀態(tài)是否仍處于按下時轉換狀態(tài)為按鍵確定狀態(tài)，如果不是則恢復初始態(tài)。當定時器1 s到達后，判斷按鍵是否仍是按下。如是則轉換為連發(fā)狀態(tài)，否則恢復初始態(tài)。當0.5 s到達后，重新判斷按鍵是否仍是按下。如是，則繼續(xù)為連發(fā)狀態(tài)，輸出值加10；如果按鍵抬起，則恢復初始態(tài)。
4 實驗結果
該驅動程序經(jīng)過gcc-arm-liunx-3.4.4編譯，并在Micro2440SDK開發(fā)板上運行(開發(fā)板上的系統(tǒng)版本為linux2.6.13)，運行結果如圖3所示。
從運行結果可以看出，如果按下按鍵并在1 s抬起，輸出值每次只加1；如果按下按鍵超過1 s，系統(tǒng)的輸出值每隔0.5s將加10。說明本驅動運行正常，且具有了連發(fā)功能。
結 語
本文主要分析了按鍵有限狀態(tài)機的工作過程，并利用Liunx內(nèi)核定時器實現(xiàn)了狀態(tài)機的狀態(tài)轉換時間間隔，最后給出了基于有限狀態(tài)機的具有連發(fā)功能Linux驅動編寫代碼，實現(xiàn)了具有連發(fā)功能的按鍵驅動，為基于有限狀態(tài)機的按鍵驅動提供了一種解決思路。
下載文檔
