基于嵌入式Linux系統(tǒng)的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：為了適應(yīng)嵌入式設(shè)備外設(shè)的多樣性，本文以特殊矩陣鍵盤(pán)為例，設(shè)計(jì)了一套完整的驅(qū)動(dòng)控制模塊。硬件電路設(shè)計(jì)采用外擴(kuò)3片SN74HC 164芯片的方式，節(jié)省了GPIO引腳的使用，大大提高了利用效率。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上引出了Linux內(nèi)核中input子系統(tǒng)的特性和工作機(jī)制，呈現(xiàn)了較為完整的輸入事件由內(nèi)核空間傳遞到用戶空間進(jìn)程的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊具有良好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：SN74HC164；矩陣鍵盤(pán)；驅(qū)動(dòng)控制模塊；Linux內(nèi)核；input子系統(tǒng)

引言
隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化產(chǎn)品的普及，嵌入式系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)逐漸成為熱點(diǎn)，Linux也以其開(kāi)源、穩(wěn)定、可裁剪的優(yōu)勢(shì)成為嵌入式操作系統(tǒng)的主流。在眾多的嵌入式系統(tǒng)中，鍵盤(pán)成為一種應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備。然而，嵌入式設(shè)備的功能差異性又決定了為其提供一種通用性鍵盤(pán)是不可行的，往往需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際功能設(shè)計(jì)所需的特殊鍵盤(pán)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。
S3C6410是三星公司高性能的32位RISC微處理器，內(nèi)部集成了多種強(qiáng)大的硬件加速器，適合進(jìn)行視頻和圖像處理，成為了目前嵌入式處理器領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。本文以在S3C6410微處理器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)24鍵矩陣鍵盤(pán)為例，呈現(xiàn)了在嵌入式系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的整體流程，并對(duì)Linux系統(tǒng)下輸入事件的底層傳遞機(jī)制進(jìn)行了研究和分析。

1 接口電路的設(shè)計(jì)
在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展鍵盤(pán)的常用方式是通過(guò)對(duì)CPU的GPIO端口進(jìn)行掃描實(shí)現(xiàn)的，顯然這種方式在鍵盤(pán)按鍵數(shù)目較多的情況下，會(huì)占用過(guò)多的GPIO資源，增加了GPIO端口資源較為緊張的嵌入式處理器的負(fù)擔(dān)。
本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)通過(guò)增加3片SN74HC164芯片來(lái)達(dá)到節(jié)約GPIO資源的目的。SN74HC164是一種8位的串行輸入、并行輸出移位寄存器，它的內(nèi)部由8個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)而成。每當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，兩個(gè)輸入端將當(dāng)前輸入信號(hào)傳送到并行輸出端，并實(shí)現(xiàn)移位操作。系統(tǒng)硬件原理圖如圖1所示。

3個(gè)SN74HC164芯片串聯(lián)后，將它們的CLK引腳接到S3C6410開(kāi)發(fā)板的GPE4端口上。第一個(gè)SN74HC164芯片的A、B輸入引腳共同接到開(kāi)發(fā)板的GPE3端口上，并且將這兩個(gè)GPIO端口配置成輸出模式。GPE2端口與鍵盤(pán)按鍵的上拉端連接，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)在中斷模式和輸入模式之間切換，以達(dá)到觸發(fā)中斷和對(duì)鍵盤(pán)掃描的目的。這樣我們就借助于3個(gè)SN74HC164移位寄存器，只占用3個(gè)GPIO端口，給掃描鍵盤(pán)的24個(gè)按鍵提供輸入信號(hào)，既節(jié)約了成本，又避免了GPIO資源的浪費(fèi)。

2 掃描工作原理
擴(kuò)展硬件電路的同時(shí)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)電路進(jìn)行控制。該電路的輸出引腳被接到S3C6410的GPE2端口上，并且這個(gè)端口被配置成中斷源，無(wú)鍵按下時(shí)直接讀為高電位。鍵盤(pán)掃描時(shí)通過(guò)SN74HC164芯片先將鍵盤(pán)的24個(gè)鍵置低電平，任何一個(gè)鍵被按下，GPE2端口就會(huì)有從高電平到低電平的跳變，從而觸發(fā)一次中斷。
在中斷處理過(guò)程中，將GPE2端口置為輸入狀態(tài)。然后根據(jù)SN74HC164芯片的輸入／輸出特性，給串聯(lián)的3個(gè)SN74HC164芯片發(fā)送24個(gè)高電平信號(hào)，使得鍵盤(pán)的各鍵位均為高電平。在隨后的24個(gè)時(shí)鐘脈沖下，給SN74HC164芯片送入1個(gè)0和23個(gè)1，使得0在每個(gè)鍵位的輸入端都只出現(xiàn)一次，同時(shí)在GPE2端口進(jìn)行掃描。當(dāng)被按下鍵處于0輸入狀態(tài)時(shí)，其所在行就會(huì)讀到一個(gè)低電平，也就可以確定出鍵盤(pán)上哪個(gè)鍵被按下了。

3 驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)
在Linux2．6的版本中新加入了input子系統(tǒng)，給驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)者提供了一個(gè)完整的輸入事件——從底層設(shè)備傳遞到用戶進(jìn)程的模型。本文基于input子系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)較為完善的特殊鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在input子系統(tǒng)的設(shè)備內(nèi)核模型中，最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體是struct input_dev，作為驅(qū)動(dòng)的主體，每個(gè)structinput_dev代表一個(gè)輸入設(shè)備。該結(jié)構(gòu)體中既包含了設(shè)備所能響應(yīng)的輸入事件類型、響應(yīng)按鍵種類、鍵盤(pán)碼表，以及坐標(biāo)范嗣等字段，同時(shí)還包含了設(shè)備打開(kāi)、關(guān)閉以及回調(diào)函數(shù)等字段，能夠完整地記錄和標(biāo)識(shí)整個(gè)設(shè)備的功能與行為。在向內(nèi)核注冊(cè)input_dev之前，需要進(jìn)行input_dev結(jié)構(gòu)的初始化，同時(shí)向內(nèi)核申請(qǐng)鍵盤(pán)中斷。