嵌入式Linux设备驱动开发之：按键驱动程序实例
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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*/
……
typedefstruct_st_key_info_matrix/*按键数据结构*/
{
unsignedcharkey_id;/*按键ID*/
unsignedintirq_no;/*对应的中断号*/
unsignedintirq_gpio_port;/*对应的中断线的输入端口地址*/
unsignedintkscan_gpio_port;/*对应的KSCAN端口地址*/
}st_key_info_matrix;
typedefstruct_st_key_buffer/*按键缓冲数据结构*/
{
unsignedlongjiffy[MAX_KEY_COUNT];/*按键时间,5s以前的铵键作废*/
unsignedcharbuf[MAX_KEY_COUNT];/*按键缓冲区*/
unsignedinthead,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。
staticst_key_info_matrixkey_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。
staticvoidinit_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structcdev结构到系统之中*/
staticvoidbutton_setup_cdev(structcdev*dev,
intminor,structfile_operations*fops)
{
interr;
intdevno=MKDEV(button_major,minor);
cdev_init(dev,fops);/*初始化结构体structcdev*/
dev->owner=THIS_MODULE;
dev->ops=fops;/*关联到设备的file_operations结构*/
err=cdev_add(dev,devno,1);/*将structcdev结构添加到系统之中*/
if(err)
{
printk(KERN_INFO"Error%daddingbutton%dn",err,minor);
}
}
……
/*驱动初始化*/
staticintbutton_init(void)
{
intret;
/*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_tdev=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:unabletogetmajor%dn",button_major);
returnret;
}
/*初始化和添加结构体structcdev到系统之中*/
button_setup_cdev(&button_dev,0,&button_fops);
printk("Buttondriverinitialized.n");
return0;
}
/*驱动卸载*/
staticvoid__exitbutton_exit(void)
{
cdev_del(&button_dev);/*删除结构体structcdev*/
/*卸载设备驱动所占有的资源*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(button_major,0),1);
printk("Buttondriveruninstalledn");
}
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("DualBSD/GPL");
按键字符设备的file_operations结构定义为：
staticstructfile_operationsbutton_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*/
staticintbutton_open(structinode*inode,structfile*filp)
{
intret=nonseekable_open(inode,filp);
if(ret<0)
{
returnret;
}
init_gpio();/*相关GPIO端口的初始化*/
ret=request_irqs();/*申请4个中断*/
if(ret<0)
{
returnret;
}
init_keybuffer();/*初始化按键缓冲数据结构*/
returnret;
}
/*关闭文件,屏蔽中断*/
staticintbutton_release(structinode*inode,structfile*filp)
{
free_irqs();/*屏蔽中断*/
return0;
}
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*/
staticirqreturn_tbutton_irq(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs)
{
unsignedcharucKey=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*/
returnIRQ_HANDLED;/*2.6内核返回值一般是这个宏*/
}
/*申请4个中断*/
staticintrequest_irqs(void)
{
intret,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;
}
}
return0;
}
/*释放中断*/
static__inlinevoidfree_irqs(void)
{
inti;
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__inlineunsignedcharbutton_scan(intirq)
{
unsignedcharkey_id=0xff;
unsignedcharcolumn=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*/
caseIRQ_EINT0:
{
column=0;
}
break;
caseIRQ_EINT2:
{
column=1;
}
break;
caseIRQ_EINT11:
{
column=2;
}
break;
caseIRQ_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;
returnkey_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;
returnkey_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;
returnkey_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;
returnkey_id;
}
}
returnkey_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)*/
staticvoidremove_timeoutkey(void)
{
unsignedlongtick;
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*/
staticssize_tbutton_read(structfile*filp,
char*buffer,size_tcount,loff_t*f_pos)
{
ssize_tret=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);
returnret;
}
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，LEDD9~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<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<asm/delay.h>
#include"butt_drv.h"
#include"gpio_drv.h"
main()
{
intbutt_fd,gpios_fd,i;
unsignedcharkey=0x0;
butt_fd=open(BUTTONS_DEVICE_FILENAME,O_RDWR);/*打开按钮设备*/
if(butt_fd==-1)
{
printf("Openbuttondevicebuttonerrr!n");
return0;
}
gpios_fd=open(GPIO_DEVICE_FILENAME,O_RDWR);/*打开GPIO设备*/
if(gpios_fd==-1)
{
printf("Openbuttondevicebuttonerrr!n");
return0;
}
ioctl(butt_fd,0);/*清空键盘缓冲区,后面参数没有意义*/
printf("PressNo.16keytoexitn");
do
{
if(read(butt_fd,&key,1)<=0)/*读键盘设备，得到相应的键值*/
{
continue;
}
printf("KeyValue=%dn",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);
return0;
}
首先编译和加载按键驱动程序，而且要创建设备文件节点。
$makeclean;make/*驱动程序的编译*/
$insmodbutt_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/buttonsc2520/*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。
$makeclean;make/*驱动程序的编译*/
$insmodgpio_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/gpioc2510/*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–obutt_testbutt_test.c
$./butt_test
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