Windows CE設(shè)備小巧玲瓏 矩陣鍵盤開發(fā)

嵌入式移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用越來越廣，以其體積小、重量輕、便于攜帶等特點(diǎn)而備受青睞。鍵盤是一種最為普遍使用的輸入工具，但嵌入式移動(dòng)設(shè)備因其體積小的特點(diǎn)決定了它的鍵盤不大可能采用普通PC機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，因而大多數(shù)采用鍵數(shù)相對(duì)較少的矩陣鍵盤。
  利用矩陣鍵盤用戶可以很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作，是極方便的人機(jī)交互設(shè)備。隨著微軟的嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE的普及，Windows CE的矩陣鍵盤開發(fā)得到了越來越多開發(fā)者的重視，本文與大家分享我在開發(fā)矩陣鍵盤的一些總結(jié)。

  1．Windows CE驅(qū)動(dòng)分類

  Windows CE提供了許多用于開發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的模型，這些驅(qū)動(dòng)程序模型使得Windows CE 能適應(yīng)大部分的內(nèi)部和外圍設(shè)備。因此，在深入探討Windows CE矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)程序之前，先了解在WinCE平臺(tái)上使用的兩種設(shè)備：內(nèi)建設(shè)備和可安裝設(shè)備。因此，從驅(qū)動(dòng)加載方式來看WinCE可分為本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)（Built-In Driver）、可加載驅(qū)動(dòng)（Loadable Driver）。

  本機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)即Native Device Drivers，WinCE設(shè)計(jì)成可直接使用內(nèi)建設(shè)備，這些設(shè)備由本機(jī)驅(qū)動(dòng)過程控制。本機(jī)驅(qū)動(dòng)程序是與WinCE的核心組件緊密相連，這些驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備通常在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在GWES的進(jìn)程空間內(nèi)被加載，因此它們不是以獨(dú)立的DLL形式存在。可加載設(shè)備是指可與平臺(tái)連接和分離的第三方接口設(shè)備，可由用戶隨時(shí)安裝和卸載這些驅(qū)動(dòng)，可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)或者和啟動(dòng)后的任何時(shí)候由設(shè)備管理器動(dòng)態(tài)加載。通常這類驅(qū)動(dòng)是以DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式存在，系統(tǒng)加載后這些驅(qū)動(dòng)程序是以用戶態(tài)的角色運(yùn)行，這種外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)也被稱為流驅(qū)動(dòng)。

  兩者的差別在于它們提供的編程接口不同：本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以根據(jù)具體設(shè)備的需求提供本機(jī)的相應(yīng)接口；而流接口驅(qū)動(dòng)則是提供一組通用接口即流接口函數(shù)，應(yīng)用程序可以通過流接口提供的接口函數(shù)來訪問外圍設(shè)備。

  2．嵌入式矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)原理

  嵌入式設(shè)備上的鍵盤受設(shè)備本身體積影響，鍵盤設(shè)計(jì)大多數(shù)采用矩陣形式。支持Windows CE系統(tǒng)的CPU有很多種，不同CPU之間矩陣鍵盤硬件設(shè)計(jì)也不盡相同。因此，鍵盤可以按照自定義布局，并且可以按照自己的喜好映射按鍵，從而實(shí)現(xiàn)按鍵的不同功能，包括按鍵的個(gè)數(shù)、布局及按鍵功能的配置。

  （1）矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)核心是中斷處理
  矩陣鍵盤一般是采用中斷方式，因此矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)首先要在OAL層加入中斷源。簡(jiǎn)單的說，矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的主要作用就是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部按鍵中斷，一旦發(fā)現(xiàn)外部有鍵按下就向內(nèi)核發(fā)送鍵盤消息實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入功能。這時(shí)鍵盤驅(qū)動(dòng)會(huì)創(chuàng)建中斷服務(wù)線程和鍵盤中斷事件，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)鍵盤中斷事件。因此，矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)核心就是鍵盤中斷處理的設(shè)計(jì)。

  （2）中斷服務(wù)例程（ISR）
  矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備一般以默認(rèn)的頻率掃描鍵盤，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)，通過掃描鍵盤并生成相應(yīng)的掃描碼，并通過處理器中的中斷產(chǎn)生器產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，這時(shí)內(nèi)核會(huì)進(jìn)入異常中斷處理程序，由它屏蔽所有中斷，再調(diào)用中斷服務(wù)例程ISR得到該中斷的邏輯中斷標(biāo)識(shí)。然后，中斷服務(wù)例程把得到對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)識(shí)符報(bào)告給系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進(jìn)程，同時(shí)產(chǎn)生鍵盤中斷事件，鍵盤中斷服務(wù)線程響應(yīng)鍵盤中斷事件，開始掃描矩陣鍵盤。然后，再通過這個(gè)中斷信號(hào)控制相應(yīng)的程序獲取與之相對(duì)應(yīng)的虛擬碼，最后此虛擬碼由上層調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按下此鍵的相應(yīng)功能。鑒于ISR的任務(wù)比較單一，ISR通常都要求越短、越快越好。

  （3）中斷服務(wù)線程（IST）
  中斷服務(wù)例程以鍵盤中斷的邏輯中斷標(biāo)識(shí)符形式返回給系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度進(jìn)程，中斷服務(wù)線程則在矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)中負(fù)責(zé)具體中斷處理。因此，矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的中斷事件HANDLE hKEYEvents要分別對(duì)應(yīng)矩陣鍵盤產(chǎn)生的中斷。一般來說，中斷服務(wù)例程較小，并且只做很少的處理工作，中斷服務(wù)線程就必須完成大多數(shù)中斷處理工作，包括響應(yīng)中斷、掃描按鍵位置、發(fā)送鍵盤消息等。

  例如，在矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)IST中會(huì)先調(diào)用CreateEvent函數(shù)創(chuàng)建事件對(duì)象，接著調(diào)用系統(tǒng)函數(shù)InterruptInitialize完成中斷。完成這些初始化工作后，接著調(diào)用 WaitForMultipleObjects (hKEYEvents)函數(shù)進(jìn)入鍵盤事件的等待隊(duì)列中。最后，當(dāng)有事件被捕獲后，根據(jù)不同的事件類型進(jìn)入不同的鍵盤掃描處理程序。

  3．矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

  （1）矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)程序模型
  Windows CE的最大好處是具有可定制性，當(dāng)它自帶的驅(qū)動(dòng)程序不能滿足用戶的要求時(shí)，用戶可以自己編寫相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。Windows CE一般可以分為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和層次型驅(qū)動(dòng)兩類。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)程序是指將驅(qū)動(dòng)程序編寫成同時(shí)包含Model Device Driver（MDD）和Platform Dependent Driver（PDD）的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。層次型驅(qū)動(dòng)是指分為兩層，較上層的MDD和比較下層的PDD。其中MDD實(shí)現(xiàn)的是和平臺(tái)無關(guān)的功能，它描述了一個(gè)通用的驅(qū)動(dòng)程序框架；而PDD是和硬件以及平臺(tái)相關(guān)的代碼組成，MDD調(diào)用PDD中特定的接口來獲取硬件相關(guān)的信息。

  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)一般是層次型的，故驅(qū)動(dòng)程序由兩個(gè)獨(dú)立的層組成：上層是模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（MDD），映射矩陣鍵盤掃描碼到虛擬鍵的編碼上，產(chǎn)生與虛擬鍵編碼相關(guān)的字符。然后打包鍵盤信息，并將此信息輸入到系統(tǒng)信息隊(duì)列中。下層是依賴平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)程序（PDD），它將從硬件重新獲得掃描碼。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)器提供的接口（DDSI）是在PDD中的函數(shù)集實(shí)現(xiàn)，并由MDD調(diào)用。由于微軟提供了所有與MDD模塊相關(guān)的源代碼，所以對(duì)這部分不用做任何改動(dòng)，只需將自己的PDD模塊與MDD模塊鏈結(jié)成一個(gè)公用庫(kù)即可。

  矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)DDI函數(shù)是在MDD層實(shí)現(xiàn)，由用戶應(yīng)用程序通過GWES子系統(tǒng)調(diào)用。其中DDI函數(shù)有：KeybdDriverGetInfo、KeybdDriverSetMode、KeybdDriverPowerHandler、KeybdDriverInitializeEx、KeybdDriverInitStates、KeybdDriverVKeyToUnicode、KeybdDriverMapVirtualKey。而DDSI函數(shù)是在PDD層實(shí)現(xiàn)，由MDD層調(diào)用。DDSI函數(shù)有：KeybdPdd_PowerHandler、KeybdPdd_InitializeDriverEx、KeybdPdd_GetEventEx、DllMain。
　　
  （2）矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的接口函數(shù)
  流接口驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)就是把外設(shè)的使用傳遞給應(yīng)用程序，是通過把設(shè)備表示為文件系統(tǒng)的一個(gè)特殊文件來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)流接口的驅(qū)動(dòng)程序都必須實(shí)現(xiàn)一組標(biāo)準(zhǔn)的接口函數(shù)。由于矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)采用了流驅(qū)動(dòng)模式設(shè)計(jì)，故矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)的流驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)，也稱為矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)的DLL接口。

  但因?yàn)榫仃囨I盤作為一種輸入設(shè)備與其他外圍設(shè)備有很大的區(qū)別，應(yīng)用層不能對(duì)其發(fā)布命令來操作它。所以，一般流驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)中對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的接口函數(shù)在矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)中只是作了保留，并未有實(shí)質(zhì)性的功能。其中，矩陣鍵盤接口函數(shù)中比較重要的有PWR_Init、PWR_DllEntry、KeypdPdd_GetEventEx、KeypdPdd_GetEventEx、ScanCodeToVKeyEx等。

  （3）矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)加載過程
  Windows CE系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)默認(rèn)啟動(dòng)DEVICE.EXE進(jìn)程。DEVICE.EXE負(fù)責(zé)加載所有流驅(qū)動(dòng)，進(jìn)程對(duì)流驅(qū)動(dòng)的加載是通過注冊(cè)表列舉器（RegEnum.dll）來實(shí)現(xiàn)。矩陣鍵盤的資源信息由OEM適配層（OAL）記錄在注冊(cè)表中，RegEnum.dll是通過掃描注冊(cè)表項(xiàng) HKEYLOCALMACHINE\Drivers\BuiltIn\PWRBUTTON下的鍵值對(duì)矩陣鍵盤進(jìn)行初始化的。

  因此，WinCE輸入系統(tǒng)（GWES）會(huì)在啟動(dòng)時(shí)裝載鍵盤驅(qū)動(dòng)，輸入系統(tǒng)將從HKEY_LOCAL_MACHINE\Hardware\DeviceMap\KEYBD\Drivername注冊(cè)鍵中獲取矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的名字。如果沒有找到入口函數(shù)，系統(tǒng)將使用默認(rèn)名字Keybddr.dll，然后加載這個(gè)DLL文件，并且確認(rèn)所需要的條目指針是否都存在。然后，系統(tǒng)調(diào)用PFN_KEYBD_DRIVER_INITIALIZE 函數(shù)執(zhí)行初始化工作。這時(shí)，模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（MDD）會(huì)在本地保存復(fù)制的一份輸入系統(tǒng)回調(diào)函數(shù)的副本以及初始化硬件和IST來處理中斷。

  當(dāng)一個(gè)中斷信號(hào)來的時(shí)候，鍵盤驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)把硬件掃描碼轉(zhuǎn)換為虛擬鍵值，然后虛擬鍵值會(huì)再發(fā)送給輸入系統(tǒng)。輸入系統(tǒng)從隊(duì)列中取出按鍵事件，然后返回到驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)KeybdDriverVKeyToUnicode中。驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)分析特定的鍵事件和虛擬鍵的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的字符。最后，輸入系統(tǒng)把虛擬鍵值和字符發(fā)送給合適的程序。

  例如，在我所用的CAYMAN開發(fā)板中，鍵盤驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)名字為KeyPad.dll，入口點(diǎn)為DllMain，中斷服務(wù)線程（IST）的名字是m_hevInterrupt。這個(gè)線程調(diào)用函數(shù)InterruptInitialize注冊(cè)SYSINTR_KEYBOARD中斷，然后等待系統(tǒng)發(fā)出SYSINTR_KEYBOARD信號(hào)。系統(tǒng)在收到中斷信號(hào)后，中斷處理程序調(diào)用KeypdPdd_GetEventEx函數(shù)來獲取按鍵的掃描碼，然后再調(diào)用ScanCodeToVKeyEx函數(shù)將掃描碼映射成虛擬碼，把從PDD返回的鍵盤事件發(fā)送到輸入系統(tǒng)，輸入系統(tǒng)進(jìn)行排隊(duì)并分發(fā)給相應(yīng)的應(yīng)用程序。

  一般來說，對(duì)于Windows CE特殊布局的按鍵式矩陣鍵盤來說，使用流接口驅(qū)動(dòng)模式能快速有效的進(jìn)行開發(fā)。因?yàn)榭梢员M量使用微軟提供的樣板程序，只需修改相應(yīng)的硬件相關(guān)代碼就能大大縮短開發(fā)流程，而且可以提高鍵盤驅(qū)動(dòng)程序的可靠性。