【Linux驱动开发】024 INPUT子系统

一、前言

按键、鼠标、键盘、触摸屏等都属于输入(input)设备，Linux 内核为此专门做了一个叫做 input子系统的框架来处理输入事件。输入设备本质上还是字符设备，只是在此基础上套上了 input 框架，用户只需要负责上报输入事件，比如按键值、坐标等信息，input 核心层负责处理这些事件。

按键输入、键盘、鼠标、触摸屏等都属于输入设备，不同的输入设备所代表的含义不同，按键和键盘就是代表按键信息，鼠标和触摸屏代表坐标信息，因此在应用层的处理就不同，对于驱动编写者而言不需要去关心应用层的事情，我们只需要按照要求上报这些输入事件即可。为此 input 子系统分为 input 驱动层、input 核心层、input 事件处理层，最终给用户空间提供可访问的设备节点。

目的：简化驱动开发人员操作，驱动开发者只需上报事件，至于事件如何处理并提供给应用层使用则无需关心。

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二、input 子系统简介

左边就是最底层的具体设备，比如按键、USB 键盘/鼠标等，中间部分属于Linux 内核空间，分为驱动层、核心层和事件层，最右边的就是用户空间，所有的输入设备以文件的形式供用户应用程序使用，可以看出 input 子系统用到了我们前面讲解的驱动分层模型。

我们编写驱动程序的时候只需要关注中间的驱动层、核心层和事件层，这三个层的分工如下： 

• 驱动层：输入设备的具体驱动程序，比如按键驱动程序，向内核层报告输入内容。 
• 核心层：承上启下，为驱动层提供输入设备注册和操作接口。负责将输入事件从驱动层传递到事件层，并记录输入设备的属性和类型等信息。
• 事件层：主要和用户空间进行交互。 负责将输入事件传递给用户空间的应用程序，并提供标准的系统调用来读取和处理输入事件。

核心层和事件层之间通过一些接口和数据结构进行交互，以实现输入事件的传递和处理。

也就是说input子系统的核心层和事件层已经写好，驱动开发者只需要按照要求上报事件给核心层即可，无需关心事件的处理和传递，这也体现出驱动分层的思想。

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三、input 驱动编写流程 

input 核心层会向 Linux 内核注册一个字符设备，大家找到 drivers/input/input.c 这个文件，input.c 就是 input 输入子系统的核心层。

struct class input_class = {
    name       = "input",
    devnode    = input_devnode,
};
...... 
static int __init input_init(void)
{
    int err;
    err = class_register(&input_class);// 向内核注册一个类
    if (err) {
        pr_err("unable to register input_dev class\n");
        return err;
    }

    err = input_proc_init();
    if (err)
        goto fail1;

    err = register_chrdev_region(MKDEV(INPUT_MAJOR, 0),// 注册字符设备
    INPUT_MAX_CHAR_DEVICES, "input");
    if (err) {
        pr_err("unable to register char major %d", INPUT_MAJOR);
        goto fail2;
    }

    return 0;

    fail2:    input_proc_exit();
    fail1:    class_unregister(&input_class);
    return err;
}

注释1：注册一个 input 类，这样系统启动以后就会在 /sys/class 目录下有一个 input 子目录。

注释2：注册一个字符设备，主设备号为 INPUT_MAJOR，INPUT_MAJOR 定义在 include/uapi/linux/major.h 文件中：

#define INPUT_MAJOR    13 

因此，input 子系统的所有设备主设备号都为 13，我们在使用 input 子系统处理输入设备的时候就不需要去注册字符设备了，我们只需要向系统注册一个 input_device 即可。（不需要自行注册字符设备，但需要提供一个input_device） 

1、注册 input_dev （该结构体表示input设备）

使用 input 子系统的时候我们只需要注册一个 input 设备即可，input_dev 结构体表示 input 设备：

struct input_dev {
    const char *name;
    const char *phys;
    const char *uniq;
    struct input_id id;

    unsigned long propbit[BITS_TO_LONGS(INPUT_PROP_CNT)];
    
    unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)];  /* 事件类型的位图 */
    unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)]; /* 按键值的位图   */
    unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)]; /* 相对坐标的位图  */
    unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)]; /* 绝对坐标的位图  */
    unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)]; /* 杂项事件的位图  */
    unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)]; /*LED 相关的位图    */
    unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];/* sound 有关的位图 */
    unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)];  /* 压力反馈的位图  */
    unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];   /*开关状态的位图   */

    bool devres_managed;
};

evbit 表示输入事件类型，另外几个位图是该事件的对应值，比如 keybit 就是按键事件使用的
位图，可选事件类型定义在 include/uapi/linux/input.h 文件中： 

#define EV_SYN            0x00    /* 同步事件     */ 
#define EV_KEY            0x01    /* 按键事件     */ 
#define EV_REL            0x02    /* 相对坐标事件   */ 
#define EV_ABS            0x03    /* 绝对坐标事件   */ 
#define EV_MSC            0x04    /* 杂项(其他)事件   */ 
#define EV_SW             0x05    /* 开关事件     */ 
#define EV_LED            0x11    /* LED       */ 
#define EV_SND            0x12    /* sound(声音)   */ 
#define EV_REP            0x14    /* 重复事件     */ 
#define EV_FF             0x15    /* 压力事件     */ 
#define EV_PWR            0x16    /* 电源事件     */ 
#define EV_FF_STATUS      0x17    /* 压力状态事件   */ 

申请 input_dev

在编写 input 设备驱动的时候，我们需要先申请一 个 input_dev 结构体变量， 使用input_allocate_device 函数来申请一个 input_dev：

struct input_dev *input_allocate_device(void) 

参数：无。 
返回值：申请到的 input_dev。 

初始化与（向内核）注册 input_dev

申请好一个 input_dev 以后就需要初始化这个 input_dev，需要初始化的内容主要为事件类型(evbit)和事件值(keybit)这两种。input_dev 初始化完成以后需要向 Linux 内核注册 input_dev了，需要用到 input_register_device 函数：

（从内核）注销 input_dev

注销 input 驱动的时候也需要使用 input_unregister_device 函数来注销掉前面注册的 input_dev：

void input_unregister_device(struct input_dev *dev) 

dev：要注销的 input_dev  。 
返回值：无。 

释放 input_dev

如果要注销的 input 设备的话需要使用 input_free_device 函数来释放掉前面申请到的 input_dev：

void input_free_device(struct input_dev *dev) 

dev：需要释放的 input_dev。 
返回值：无。 

input_dev 注册总结

①、使用 input_allocate_device 函数申请一个 input_dev。 
②、初始化 input_dev 的事件类型以及事件值。 
③、使用 input_register_device 函数向 Linux 系统注册前面初始化好的 input_dev。 
④、卸载 input 驱动的时候需要先使用 input_unregister_device 函数注销掉注册的 input_dev 然后使用 input_free_device 函数释放掉前面申请的 input_dev。

input_dev 注册过程示例代码：

struct input_dev *inputdev;      /* input 结构体变量 */

/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
    ...
    // 相当于给指针变量分配空间 
    inputdev = input_allocate_device();   /* 申请 input_dev    */
    inputdev->name = "test_inputdev";     /* 设置 input_dev 名字  */

    /*********第一种设置事件和事件值的方法***********/
    // 设置某一位的值
    __set_bit(EV_KEY, inputdev->evbit);   /* 设置产生按键事件    */
    __set_bit(EV_REP, inputdev->evbit);   /* 重复事件        */
    __set_bit(KEY_0, inputdev->keybit);   /*设置产生哪些按键值   */
    /************************************************/
    
    /*********第二种设置事件和事件值的方法***********/
    keyinputdev.inputdev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) |
    BIT_MASK(EV_REP);
    keyinputdev.inputdev->keybit[BIT_WORD(KEY_0)] |=
    BIT_MASK(KEY_0);
    /************************************************/

    /*********第三种设置事件和事件值的方法***********/
    keyinputdev.inputdev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) |
    BIT_MASK(EV_REP);
    input_set_capability(keyinputdev.inputdev, EV_KEY, KEY_0);
    /************************************************/

    /* 注册 input_dev */
    input_register_device(inputdev);

    return 0;
}

/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{ 
   input_unregister_device(inputdev);     /* 注销 input_dev  */ 
   input_free_device(inputdev);           /* 删除 input_dev  */ 
} 

2、上报输入事件

input 设备都是具有输入功能的，但是具体是什么样的输入值 Linux 内核是不知道的，我们需要获取到具体的输入值，或者说是输入事件，然后将输入事件上报给 Linux 内核。比如按键，我们需要在按键中断处理函数，或者消抖定时器中断函数中将按键值上报给 Linux 内核，这样 Linux 内核才能获取到正确的输入值。

不同的事件，其上报事件的 API 函数不同：

‍ input_event 函数

此函数用于上报指定的事件以及对应的值，input_event 函数可以上报所有的事件类型和事件值：

void input_event(  struct input_dev    *dev,   
                                unsigned int        type,   
                                unsigned int        code,   
                                int            value) 
dev：需要上报的 input_dev。 
type:  上报的事件类型，比如 EV_KEY。 
code：事件码，也就是我们注册的按键值，比如 KEY_0、KEY_1 等等。 
value：事件值，比如 1 表示按键按下，0 表示按键松开。 
返回值：无。 

‍ 具体事件的上报函数

// input_report_key 函数的本质就是 input_event 函数

static inline void input_report_key(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value) 

// 同样的还有一些其他的事件上报函数

void input_report_rel(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value) 
void input_report_abs(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value) 

void input_report_ff_status(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value) 
void input_report_switch(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value) 
void input_mt_sync(struct input_dev *dev) 

‍ 结束 input 子系统事件上报

需要使用 input_sync 函数来告诉 Linux 内核 input 子系统上报结束，input_sync 函数本质是上报一个同步事件：

void input_sync(struct input_dev *dev) 
dev：需要上报同步事件的 input_dev。 
返回值：无。 

‍ 按键的上报事件的参考代码

/* 用于按键消抖的定时器服务函数 */ 
void timer_function(unsigned long arg) 
{ 
    unsigned char value; 
   
    value = gpio_get_value(keydesc->gpio);    /* 读取 IO 值   */ 
    if(value == 0){                             /* 按下按键    */ 
        /* 上报按键值 */ 
        input_report_key(inputdev, KEY_0, 1);  /* 最后一个参数 1，按下 */ 
        input_sync(inputdev);                   /*  同步事件   */ 
    } else {                                     /* 按键松开    */ 
       input_report_key(inputdev, KEY_0, 0);  /* 最后一个参数 0，松开 */ 
       input_sync(inputdev);                   /*  同步事件   */ 
   }    
} 

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四、input_event 结构体（呈现给用户使用）

1、input_event 结构体

（此处 input_event 是结构体，不是上面讲的上报函数）Linux 内核使用 input_event 结构体来表示所有的输入事件：

struct input_event {
    struct timeval time;// 此事件发生的时间
    __u16 type;// 事件类型,此次事件为按键事件，比如 EV_KEY
    __u16 code;// 时间码，具体的按键码，如：KEY_0、KEY_1等等这些按键
    __s32 value;// 按键值
};

input_envent 这个结构体非常重要，因为所有的输入设备最终都是按照 input_event 结构体呈现给用户的，用户应用程序可以通过 input_event 来获取到具体的输入事件或相关的值，比如按键值等。

上方表示时间的结构体 struct timeval：

typedef long              __kernel_long_t;
typedef __kernel_long_t    __kernel_time_t;
typedef __kernel_long_t    __kernel_suseconds_t;

struct timeval {
    __kernel_time_t         tv_sec;    /* 秒  */
    __kernel_suseconds_t     tv_usec;   /* 微秒   */
};

tv_sec 和 tv_usec 这两个成员变量都为 long 类型，也就是 32位。

2、测试 APP 

#include "stdio.h" 
#include "unistd.h" 
#include "sys/types.h" 
#include "sys/stat.h" 
#include "sys/ioctl.h" 
#include "fcntl.h" 
#include "stdlib.h" 
#include "string.h" 
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include  

/* 定义一个 input_event 变量，存放输入事件信息 */ 
static struct input_event inputevent; 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
   int fd; 
   int err = 0; 
   char *filename; 
  
   filename = argv[1]; 
  
   if(argc != 2) { 
       printf("Error Usage!\r\n"); 
       return -1; 
   } 
  
   fd = open(filename, O_RDWR); 
   if (fd < 0) { 
       printf("Can't open file %s\r\n", filename); 
       return -1; 
   } 
  
   while (1) { 
       err = read(fd, &inputevent, sizeof(inputevent)); 
       if (err > 0) { /* 读取数据成功 */ 
            switch (inputevent.type) { 
                case EV_KEY: 
                     if (inputevent.code < BTN_MISC) { /* 键盘键值 */ 
                        printf("key %d %s\r\n", inputevent.code, inputevent.value ? "press" : "release"); 
                     } else { 
                        printf("button %d %s\r\n", inputevent.code,  inputevent.value ? "press" : "release"); 
                     } 
                    break; 
 
                /* 其他类型的事件，自行处理 */ 
                case EV_REL: 
                    break; 
                case EV_ABS: 
                    break; 
                case EV_MSC: 
                    break; 
                case EV_SW: 
                    break; 
             } 
       } else { 
            printf("读取数据失败\r\n"); 
       } 
    } 
    return 0; 
} 

驱动层 read 函数应该是由input子系统实现，而如何将驱动上报的事件整理成 input_event 结构体也是驱动开发者无需考虑的，只需按照归则上报对应的事件到核心层即可。