1 引言

Linux 由于其具有內(nèi)核強(qiáng)大且穩(wěn)定，易于擴(kuò)展和裁減，豐富的硬件支持等諸多優(yōu)點(diǎn)，在嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。很多嵌入式Linux系統(tǒng)，特別是一些具有與用 戶(hù)強(qiáng)交互的嵌入式系統(tǒng)，往往需要配備一個(gè)特殊鍵盤(pán)，此時(shí)開(kāi)發(fā)者需要根據(jù)實(shí)際情況，為自己的特殊鍵盤(pán)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序。

2 Linux鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介

Linux 中的大多數(shù)驅(qū)動(dòng)程序都采用了層次型的體系結(jié)構(gòu)，鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序也不例外。在Linux中，鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)被劃分成兩層來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，上層是一個(gè)通用的鍵盤(pán)抽象層， 完成鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)中不依賴(lài)于底層具體硬件的一些功能，并且負(fù)責(zé)為底層提供服務(wù)；下層則是硬件處理層，與具體硬件密切相關(guān)，主要負(fù)責(zé)對(duì)硬件進(jìn)行直接操作。鍵盤(pán)驅(qū) 動(dòng)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(nèi)核用EXPORT_SYMBOL這個(gè)宏導(dǎo)出的 handle_scancode函數(shù)。handle_scancode完成的功能是：首先將掃描碼轉(zhuǎn)換成鍵碼，接著根據(jù)shift, alt等擴(kuò)展鍵的按下情況將鍵碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)碼，一般情況下是ASCII碼，最后將該ASCII碼放到終端設(shè)備的緩沖區(qū)中，并且調(diào)度一個(gè)tasklet負(fù)責(zé) 將其在顯示器上回顯出來(lái)。可以看出，這個(gè)函數(shù)完成的是鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(lài)于底層硬件的，所以可以將其獨(dú)立出 來(lái)，并且導(dǎo)出給底層的硬件處理函數(shù)調(diào)用。在這個(gè)文件中還定義了其它幾個(gè)回調(diào)函數(shù)，它們由鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序中的上層公共部分調(diào)用，并由底層硬件處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)。比 如kbd_init_hw， kbd_translate, kbd_unexpected_up等等。其中kbd_translate由handle_scancode調(diào)用，負(fù)責(zé)將掃描碼轉(zhuǎn)換成鍵碼；鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序 的底層硬件處理部分則根據(jù)不同的硬件有不同的實(shí)現(xiàn)。例如PC平臺(tái)上標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的底層硬件處理函數(shù)都集中在driver/Pc_keyb.c中。這個(gè)文件包括 了鍵盤(pán)中斷處理函數(shù)keyboard_interrupt，掃描碼到鍵碼轉(zhuǎn)換函數(shù)pckbd_translate等其他一些與底層硬件密切相關(guān)的函數(shù)。

在這種體系結(jié)構(gòu)下，要添加一塊特殊鍵盤(pán)到系統(tǒng)中就顯得格外清晰。開(kāi)發(fā)者只需為其編寫(xiě) 驅(qū)動(dòng)程序中的底層硬件處理函數(shù)，就可以將該鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)起來(lái)。一般說(shuō)來(lái)，底層硬件處理函數(shù)中最重要的工作就是在鍵盤(pán)中斷處理中獲取被按下鍵的掃描碼，并且以它 為參數(shù)調(diào)用handle_scancode，該掃描碼可以自己定義，但它必須唯一地標(biāo)識(shí)出被按下鍵在鍵盤(pán)上的位置。此外，開(kāi)發(fā)者還需要提供對(duì)應(yīng)的從自定義 掃描碼到鍵碼的轉(zhuǎn)換函數(shù)kbd_translate。具體的鍵碼轉(zhuǎn)換，將目標(biāo)碼放到終端的輸入緩沖區(qū)，以及回顯等工作都由handle_scancode 負(fù)責(zé)完成。在此我們也可以看出，內(nèi)核導(dǎo)出函數(shù)handle_scancode在整個(gè)鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)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(lái)的關(guān)鍵 作用。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面我們將以一個(gè)具體的應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明在嵌入式Linux系統(tǒng)中給一個(gè)特殊鍵盤(pán)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序的具體過(guò)程。

3.1 硬件模塊描述

本 系統(tǒng)的構(gòu)建選用了三星公司的S3C2410開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺(tái)。特殊鍵盤(pán)的硬件模塊主要由兩個(gè)SN74hc164芯片和一個(gè)4行16列的矩陣掃描電路構(gòu) 成。SN74hc164是一個(gè)8位的串形輸入并形輸出移位寄存器，它的內(nèi)部由8個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)而成。其工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)是這樣的，SN74hc164芯片 在時(shí)鐘CLK脈沖的上升沿將A，B引腳上的串形輸入在8個(gè)時(shí)鐘脈沖以后并行輸出到輸出引腳QA到QH。其真值表見(jiàn)圖1所示。

兩 個(gè)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(kāi)發(fā)板的GPB2和GPB4端口上，并且將第一個(gè) SN74hc164芯片的A，B引腳接到開(kāi)發(fā)板的GPB1端口上，這三個(gè)GPIO端口配置成輸出端口。這樣我們就借助于兩個(gè)SN74hc164寄存器，實(shí) 現(xiàn)了只占用3個(gè)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(fèi)。但這同時(shí)也給鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了一 定的麻煩，驅(qū)動(dòng)程序首先要將SN74hc164驅(qū)動(dòng)起來(lái)，然后才能對(duì)矩陣電路的16列進(jìn)行控制。該矩陣電路的4個(gè)行引腳分別被接到S3C2410的 GPG6，GPG7，GPG8，GPG9端口上，并且這四個(gè)端口被配置成中斷源。無(wú)鍵按下時(shí)直接讀為高電位，使用時(shí)通過(guò)SN74hc164芯片先將鍵盤(pán)的 16列置低電位，任何一個(gè)鍵被按下，相應(yīng)的行GPG端口就會(huì)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(duì)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(duì)它 們進(jìn)行控制和訪問(wèn)。為了要將某個(gè)GPIO端口配置成輸入輸出或者是中斷源，需要在對(duì)應(yīng)的GPIO控制寄存器中設(shè)置正確的值，具體的值可以通過(guò)查閱 S3C2410開(kāi)發(fā)板手冊(cè)來(lái)獲得。比如，為了將GPB1設(shè)置成SN74hc164的輸入端，需要將GPBCON這個(gè)控制字中2，3兩位設(shè)置成二進(jìn)制的 01，為了將GPG6設(shè)置成電壓低跳變中斷源，需要將GPGCON中12，13兩位設(shè)置成二進(jìn)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(pán)中斷處理函數(shù)注冊(cè)到系統(tǒng)，然后設(shè)置好一個(gè)定時(shí)器結(jié)構(gòu)，以便在中斷發(fā)生時(shí)將其掛到內(nèi)核的定時(shí)器隊(duì)列中去，該定時(shí)器將觸發(fā)對(duì)鍵盤(pán)的掃描操作。 最后通過(guò)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(yīng)該完成的工作就是掃描特殊鍵盤(pán)，確定哪個(gè)鍵被按下，并且拿到穩(wěn)定的掃描碼，然后調(diào)用內(nèi)核導(dǎo)出函數(shù)handle_scancode。在這個(gè)應(yīng)用 中，該特殊鍵盤(pán)的布局與PC標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的布局比較相似，所以我們直接將PC鍵盤(pán)上對(duì)應(yīng)鍵的系統(tǒng)掃描碼作為我們特殊鍵盤(pán)上各個(gè)鍵的掃描碼，同時(shí)我們將PC鍵盤(pán) 驅(qū)動(dòng)程序中掃描碼到鍵碼的轉(zhuǎn)換函數(shù)pckbd_translate作為我們的kbd_translate函數(shù)。

確 定哪一個(gè)鍵被按下的算法如下。在中斷到來(lái)時(shí)，我們已經(jīng)可以根據(jù)中斷號(hào)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(gè)SN74hc164芯片送一個(gè)CLR信號(hào)，清零，然后送16個(gè)1，使得特殊鍵盤(pán)的列均為高電位，此時(shí)我們?cè)阪I盤(pán)的行端口讀到的都是高電位。在16個(gè)時(shí)鐘 脈沖下，給SN74hc164芯片送入1個(gè)0和15個(gè)1，使得0在每一列上都唯一出現(xiàn)一次，于此同時(shí)在鍵盤(pán)行端口進(jìn)行掃描。當(dāng)被按下鍵所在列置0時(shí)，其所 在行就會(huì)讀到一個(gè)低電位。使用這種“走0法”，我們就可以確定出鍵盤(pán)上哪個(gè)鍵被按下了。但是這種簡(jiǎn)單的掃描算法還不夠，因?yàn)樵谶@種類(lèi)型的矩陣掃描鍵盤(pán)中， 鍵的每次按下和抬起都會(huì)有10~20ms（這段時(shí)間的長(zhǎng)短由硬件特性決定）的毛刺抖動(dòng)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(dòng)，才能避免將用戶(hù)的一次按鍵誤當(dāng)作幾次按鍵來(lái)處理。去毛刺的一種常見(jiàn)的方法是在有鍵盤(pán)中斷到達(dá)時(shí)，并不立即去掃描鍵盤(pán)，而是先等待一段時(shí)間，等跳過(guò) 毛刺抖動(dòng)以后再去掃描鍵盤(pán)，其偽代碼如下所示：