嵌入式Linux设备驱动开发之：按键驱动程序实例
11.6 按键驱动程序实例
11.6.1 按键工作原理
就像你把电源正极的负极相连一样会把电压拉低。大电流会从高电平引脚流向低电平引脚，把高电平引脚拉低。
LED和蜂鸣器是最简单的GPIO的应用，都不需要任何外部输入或控制。按键同样使用GPIO接口，但按键本身需要外部的输入，即在驱动程序中要处理外部中断。按键硬件驱动原理图如图11-7所示。在图11-7的4×4矩阵按键（K1~K16）电路中，使用4个输入/输出端口（EINT0、EINT2、EINT11和EINT19）和4个输出端口（KSCAN0~KSCAN3）。
图11.7 按键驱动电路原理图
按键驱动电路使用的端口和对应的寄存器如表11-18所示。
表11.18 按键电路的主要端口
| 管 脚 |
端 口 |
输入/输出 |
|
管 脚 |
端 口 |
输入/输出 |
| KEYSCAN0 |
GPE11 |
输出 |
EINT0 |
EINIT0/GPF0 |
输入/输出 |
|
| KEYSCAN1 |
GPG6 |
输出 |
EINT2 |
EINT2/GPF2 |
输入/输出 |
|
| KEYSCAN2 |
GPE13 |
输出 |
EINT11 |
EINT11/GPG3 |
输入/输出 |
|
| KEYSCAN3 |
GPG2 |
输出 |
EINT19 |
EINT19/GPG11 |
输入/输出 |
因为通常中断端口是比较珍贵且有限的资源，所以在本电路设计中，16个按键复用了4个中断线。那怎么样才能及时而准确地对矩阵按键进行扫描呢？
某个中断的产生表示，与它所对应的矩阵行的4个按键中，至少有一个按键被按住了。因此可以通过查看产生了哪个中断，来确定在矩阵的哪一行中发生了按键操作（按住或释放）。例如，如果产生了外部2号线中断（EINT2变为低电平），则表示K7、K8、K9和K15中至少有一个按键被按住了。这时候4个EINT端口应该通过GPIO配置寄存器被设置为外部中断端口，而且4个KSCAN端口的输出必须为低电平。
在确定按键操作所在行的位置之后，我们还得查看按键操作所在列的位置。此时要使用KSCAN端口组，同时将4个EINT端口配置为通用输入端口（而不是中断端口）。在4个KSCAN端口中，轮流将其中某一个端口的输出置为低电平，其他3个端口的输出置为高电平。这样逐列进行扫描，直到按键所在列的KSCAN端口输出为低电平，此时按键操作所在行的EINT管脚的输入端口的值会变成低电平。例如，在确认产生了外部2号中断之后，进行逐列扫描。若发现在KSCAN1为低电平时（其他端口输出均为高电平），GPF2（EINT2管脚的输入端口）变为低电平，则可以断定按键K8被按住了。
以上的讨论都是在按键的理想状态下进行的，但实际的按键动作会在短时间（几毫秒至几十毫秒）内产生信号抖动。例如，当按键被按下时，其动作就像弹簧的若干次往复运动，将产生几个脉冲信号。一次按键操作将会产生若干次按键中断，从而会产生抖动现象。因此驱动程序中必须要解决去除抖动所产生的毛刺信号的问题。
11.6.2 按键驱动程序
首先按键设备相关的数据结构的定义如下所示：
/* butt_drv.h */
……
typedef struct _st_key_info_matrix /* 按键数据结构 */
{
unsigned char key_id; /* 按键ID */
unsigned int irq_no; /* 对应的中断号 */
unsigned int irq_gpio_port; /* 对应的中断线的输入端口地址*/
unsigned int kscan_gpio_port; /* 对应的KSCAN端口地址 */
} st_key_info_matrix;
typedef struct _st_key_buffer /* 按键缓冲数据结构 */
{
unsigned long jiffy[MAX_KEY_COUNT]; /* 按键时间, 5s以前的铵键作废*/
unsigned char buf[MAX_KEY_COUNT]; /* 按键缓冲区 */
unsigned int head,tail; /* 按键缓冲区头和尾 */
} st_key_buffer;
……
下面是矩阵按键数组的定义，数组元素的信息（一个按键信息）按照0行0列，0行1列，…，3行2列，3行3列的顺序逐行排列。
static st_key_info_matrix key_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}},
};
下面是与按键相关的端口的初始化函数。这些函数已经在简单的GPIO字符设备驱动程序里被使用过。此外，set_irq_type()函数用于设定中断线的类型，在本实例中通过该函数将4个中断线的类型配置为下降沿触发式。
static void init_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);
}
下面讲解按键驱动的主要接口，以下为驱动模块的入口和卸载函数。
/* 初始化并添加struct cdev结构到系统之中 */
static void button_setup_cdev(struct cdev *dev,
int minor, struct file_operations *fops)
{
int err;
int devno = MKDEV(button_major,minor);
cdev_init(dev, fops); /* 初始化结构体struct cdev */
dev->owner = THIS_MODULE;
dev->ops = fops; /* 关联到设备的file_operations结构 */
err = cdev_add(dev, devno, 1); /* 将struct cdev结构添加到系统之中 */
if (err)
{
printk(KERN_INFO"Error %d adding button %d\n",err, minor);
}
}
……
/* 驱动初始化 */
static int button_init(void)
{
int ret;
/* 将主设备号和次设备号定义到一个dev_t数据类型的结构体之中 */
dev_t dev = MKDEV(button_major, 0);
if (button_major)
{/* 静态注册一个设备，设备号先前指定好，并设定设备名，用cat /proc/devices来查看 */
ret = register_chrdev_region(dev, 1, BUTTONS_DEVICE_NAME);
}
else
{ /*由系统动态分配主设备号 */
ret = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, BUTTONS_DEVICE_NAME);
button_major = MAJOR(dev); /* 获得主设备号 */
}
if (ret < 0)
{
printk(KERN_WARNING"Button:unable to get major %d\n",button_major);
return ret;
}
/* 初始化和添加结构体struct cdev到系统之中 */
button_setup_cdev(&button_dev, 0, &button_fops);
printk("Button driver initialized.\n");
return 0;
}
/* 驱动卸载 */
static void __exit button_exit(void)
{
cdev_del(&button_dev); /* 删除结构体struct cdev */
/* 卸载设备驱动所占有的资源 */
unregister_chrdev_region(MKDEV(button_major, 0), 1);
printk("Button driver uninstalled\n");
}
module_init(button_init); /* 初始化设备驱动程序的入口 */
module_exit(button_exit); /* 卸载设备驱动程序的入口 */
MODULE_AUTHOR("David");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
按键字符设备的file_operations结构定义为：
static struct file_operations button_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.ioctl = button_ioctl,
.open = button_open,
.read = button_read,
.release = button_release,
};
以下为open和release函数接口的实现。
/* 打开文件, 申请中断 */
static int button_open(struct inode *inode,struct file *filp)
{
int ret = nonseekable_open(inode, filp);
if (ret < 0)
{
return ret;
}
init_gpio(); /* 相关GPIO端口的初始化*/
ret = request_irqs(); /* 申请4个中断 */
if (ret < 0)
{
return ret;
}
init_keybuffer(); /* 初始化按键缓冲数据结构 */
return ret;
}
/* 关闭文件, 屏蔽中断 */
static int button_release(struct inode *inode,struct file *filp)
{
free_irqs(); /* 屏蔽中断 */
return 0;
}
在open函数接口中，进行了GPIO端口的初始化、申请硬件中断以及按键缓冲的初始化等工作。在以前的章节中提过，中断端口是比较宝贵而且数量有限的资源。因此需要注意，最好要在第一次打开设备时申请（调用request_irq函数）中断端口，而不是在驱动模块加载的时候申请。如果已加载的设备驱动占用而在一定时间段内不使用某些中断资源，则这些资源不会被其他驱动所使用，只能白白浪费掉。而在打开设备的时候（调用open函数接口）申请中断，则不同的设备驱动可以共享这些宝贵的中断资源。
以下为中断申请和释放的部分以及中断处理函数。
/* 中断处理函数,其中irq为中断号 */
static irqreturn_t button_irq(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)
{
unsigned char ucKey = 0;
disable_irqs(); /* 屏蔽中断 */
/* 延迟50ms, 屏蔽按键毛刺 */
udelay(50000);
ucKey = button_scan(irq); /* 扫描按键，获得进行操作的按键的ID */
if ((ucKey >= 1) && (ucKey <= 16))
{
/* 如果缓冲区已满, 则不添加 */
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，主要是为了恢复中断端口配置 */
enable_irqs(); /* 开启中断 */
return IRQ_HANDLED;/* 2.6内核返回值一般是这个宏 */
}
/* 申请4个中断 */
static int request_irqs(void)
{
int ret, 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;
}
}
return 0;
}
/* 释放中断 */
static __inline void free_irqs(void)
{
int i;
for (i = 0; i < MAX_COLUMN; i++)
{
free_irq(key_info_matrix[i][0].irq_no, NULL);
}
}
中断处理函数在每次中断产生的时候会被调用，因此它的执行时间要尽可能得短。通常中断处理函数只是简单地唤醒等待资源的任务，而复杂且耗时的工作则让这个任务去完成。中断处理函数不能向用户空间发送数据或者接收数据，不能做任何可能发生睡眠的操作，而且不能调用schedule()函数。
为了简单起见，而且考虑到按键操作的时间比较长，在本实例中的中断处理函数button_irq()里，通过调用睡眠函数来消除毛刺信号。读者可以根据以上介绍的对中断处理函数的要求改进该部分代码。
按键扫描函数如下所示。首先根据中断号确定操作按键所在行的位置，然后采用逐列扫描法最终确定操作按键所在的位置。
/*
** 进入中断后, 扫描铵键码
** 返回: 按键码(1～16), 0xff表示错误
*/
static __inline unsigned char button_scan(int irq)
{
unsigned char key_id = 0xff;
unsigned char column = 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)
{ /* 根据irq值确定操作按键所在行的位置*/
case IRQ_EINT0:
{
column = 0;
}
break;
case IRQ_EINT2:
{
column = 1;
}
break;
case IRQ_EINT11:
{
column = 2;
}
break;
case IRQ_EINT19:
{
column = 3;
}
break;
}
if (column != 0xff)
{ /* 开始逐列扫描， 扫描第0列 */
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11, 0); /* 将KSCAN0置为低电平 */
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))
{ /* 观察对应的中断线的输入端口值 */
key_id = key_info_matrix[column][0].key_id;
return key_id;
}
/* 扫描第1列*/
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11, 1);
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6, 0); /* 将KSCAN1置为低电平 */
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;
return key_id;
}
/* 扫描第2列*/
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE11, 1);
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPG6, 1);
s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPE13, 0); /* 将KSCAN2置为低电平 */
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;
return key_id;
}
/* 扫描第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); /* 将KSCAN3置为低电平 */
if(!s3c2410_gpio_getpin(key_info_matrix[column][3].irq_gpio_port))
{
key_id = key_info_matrix[column][3].key_id;
return key_id;
}
}
return key_id;
}
以下是read函数接口的实现。首先在按键缓冲中删除已经过时的按键操作信息，接下来，从按键缓冲中读取一条信息（按键ID）并传递给用户层。
/* 从缓冲删除过时数据(5s前的按键值) */
static void remove_timeoutkey(void)
{
unsigned long tick;
spin_lock_irq(&buffer_lock); /* 获得一个自旋锁 */
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); /* 释放自旋锁 */
}
/* 读键盘 */
static ssize_t button_read(struct file *filp,
char *buffer, size_t count, loff_t *f_pos)
{
ssize_t ret = 0;
remove_timeoutkey(); /* 删除过时的按键操作信息 */
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);
return ret;
}
以上介绍了按键驱动程序中的主要内容。
11.6.3 按键驱动的测试程序
按键驱动程序的测试程序所下所示。在测试程序中，首先打开按键设备文件和gpio设备（包括4个LED和蜂鸣器）文件，接下来，根据按键的输入值（按键ID）的二进制形式，LED D9~D12发亮（例如，按下11号按键，则D9、D10和D12会发亮），而蜂鸣器当每次按键时发出声响。
/* butt_test.c */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "butt_drv.h"
#include "gpio_drv.h"
main()
{
int butt_fd, gpios_fd, i;
unsigned char key = 0x0;
butt_fd = open(BUTTONS_DEVICE_FILENAME, O_RDWR); /* 打开按钮设备 */
if (butt_fd == -1)
{
printf("Open button device button errr!\n");
return 0;
}
gpios_fd = open(GPIO_DEVICE_FILENAME, O_RDWR); /* 打开GPIO设备 */
if (gpios_fd == -1)
{
printf("Open button device button errr!\n");
return 0;
}
ioctl(butt_fd, 0); /* 清空键盘缓冲区, 后面参数没有意义 */
printf("Press No.16 key to exit\n");
do
{
if (read(butt_fd, &key, 1) <= 0) /* 读键盘设备，得到相应的键值 */
{
continue;
}
printf("Key Value = %d\n", key);
for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
{
if ((key & (1 << i)) != 0)
{
ioctl(gpios_fd, LED_D09_SWT + i, LED_SWT_ON); /* LED发亮*/
}
}
ioctl(gpios_fd, BEEP_SWT, BEEP_SWT_ON); /* 发声*/
sleep(1);
for (i = 0; i < LED_NUM; i++)
{
ioctl(gpios_fd, LED_D09_SWT + i, LED_SWT_OFF); /* LED熄灭*/
}
ioctl(gpios_fd, BEEP_SWT, BEEP_SWT_OFF);
} while(key != 16); /* 按16号键则退出 */
close(gpios_fd);
close(butt_fd);
return 0;
}
首先编译和加载按键驱动程序，而且要创建设备文件节点。
$ make clean;make /* 驱动程序的编译*/
$ insmod butt_dev.ko /* 加载buttons设备驱动 */
$ cat /proc/devices /* 通过这个命令可以查到buttons设备的主设备号 */
$ mknod /dev/buttons c 252 0 /* 假设主设备号为252， 创建设备文件节点*/
接下来，编译和加载GPIO驱动程序，而且要创建设备文件节点。
$ make clean;make /* 驱动程序的编译*/
$ insmod gpio_drv.ko /* 加载GPIO驱动 */
$ cat /proc/devices /* 通过这个命令可以查到GPIO设备的主设备号 */
$ mknod /dev/gpio c 251 0 /* 假设主设备号为251， 创建设备文件节点*/
然后编译并运行驱动测试程序。
$ arm-linux-gcc –o butt_test butt_test.c
$ ./butt_test