1 键盘驱动程序的设计
随着电子信息技术的快速发展，由嵌入式系统组成的各种设备得到了广泛的应用 Linux它是一个开放源代码、 软实时、 多任务的操作系统，是开发嵌入式产品的优秀操作系统平台，其中键盘是人机界面中人类监控计算机的重要数据输入设备。实现键盘有两种方法：一种是使用一些现有的芯片来实现键盘扫描；另一种是使用软件来实现键盘扫描。目前，许多芯片可以用来实现键盘扫描，但软件实现方法有助于降低系统的重复开发成本，只有很少的 CPU 开销。嵌入式控制器的功能很强,可以充分利用这一资源。本课题提出的键盘方案是以嵌入式 Linux和 PXA255是一个软硬件平台，通过测试表明它具有良好的稳定性和实时性。
2 矩阵键盘的结构和工作原理
本课题采用矩阵键盘，如图 1所示。四行四线组成 4 *4矩阵键盘分别使用 CPU 的 4个 GPIO嘴。按键时，一列 GPI O 口电平被下拉从而产生下降沿,触发中断。其中按键行阵列必须提供上拉信号,列阵列加二极管,防止瞬间电流过大对 GPI O口腔冲击。
1 矩阵键盘原理图.
3 Linux键盘驱动简介
在 Linux在中间，键盘驱动器分为两层。上层是一个通用键盘抽象层，下层是硬件处理层，主要是直接操作硬件。键盘驱动程序的上层公共部分是 driver /keyboard . c文件中最重要的是内核 EXPORT _SYM BOL这个宏导出 handle_scancode函数 。本文件还定义了由键盘驱动程序中上层公共部分调用的其他回调函数，并由底层硬件处理函数实现。键盘驱动程序的底部硬件处理部分根据不同的硬件实现。
4 实现键盘驱动程序
4 . 1 宏定义 module init和 module exit
通过宏定义 module init和module exit可以看出，驱动程序的入口来自 kd_ctrl_init( )开始。内核模块加载时，默认调用 module_ i nit( kd_c trl_init) ,在 kd_ctr l_ i nit( )一些初始化工作将完成如下:
( 1) 把 GPI O 口的起始虚拟地址映射到 GPI O _BASE _PHY ( 0x1000b数据长度为000)x400 :
GPI O _ BASE = ( i nt) ioremap ( GPI O _ BASE _ P HY,0x400);
( 2) 使用 request_ irq函数将外设中断服务例程挂载到外部中断处理程序中。 用于本系统request_irq 4列 GPI O口申请中断资源，分别占用 1 、2 、3、 4 。i是中断号； kd_ctr l_irq是 UCB1400中断处理程序，kd_ctr l代表键盘设备名称，MAGIC _DEVID通知系统设备标志共享中断线。返回值为 0，表示申请成功。
( 3)通过函数 m isc_reg ister注册键盘设备，分配主设备号和设备号，初始化环形队列，定义键盘控制的数据结构。包括键值、键状态和长按标志。
使用 mknod命令将该节点与相应设备建立联系。
( 4) 通过 init_ w a it queue_head(& sa ts . read _ w a it)初始化读信号量。
4 . 2 打开键盘设备
应用程序打开设备文件时,会调用驱动中的 OPEN 函数，这个函数用的行列 GPI O 口配置。打开的设备在内 核中通过 file标记结构 ，使用内核 fileopreati on 通过上述结构中设备文件操作结构的映射，调用驱动 kd_c trl_open。下一步要做的是：
( 1) 通过 se m a_ i n it( & kdc- > irq_w ait ，0)初始化用于唤醒后台线程的信号量。
( 2) 调用初始化函数 i n it_pxa_kdc( )初始化 GPI O口,具体是把 行!的 GPI O 口设为输出模式，设定值为 0 ，列！GPIO口设为中断模式，下降边有效。如下所示:
re t = se t_kdc_gp i o( KDC_ROW _PINS ,1 ,PI NS_MODE _OUT ,0) ;
ret = set_kdc_gp i o ( KDC _COL _PI NS ,1 ,PI NS _ MODE _FALLI NG_I NTTERUPT ,0);
( 3) 严格串行执行任务的效率不高。如果放在后台调度，可以很好的响应他们的函数和终端用户的流程。所以初始化 GPIO口后，打开内核线程 kd_ctrl_thread专门用于处理键盘事件，实际上是向系统申请软硬件资源。为确保线程创建完成，使用 co m pleti on ,在 Linux内核中,co m pletion使用 是一种简单的同步机制co m pleti on该机制可以同步两个任务。我们使用 i n it_comp l e ti on(& kdc- > i n it_ex it)动态初始化线程创建信号量i n it_ex it ，用 wa it_fo r_co m pleti on (& kdc- >i n it_ex it)等待过程创建完成，然后在过程创建完成后通过co m plete(& kdc- > i nit_ex it)确定事件已完成，后台线程已成功创建，继续执行函数 w ait_ for_ comp l e ti on后续任务。
通过 ret = kerne l_t h read( kd_c trl_ t hread ,kdc ,CLONE_FS |CLONE_FILES)创建后台线程。
4 . 3 等待键盘事件
一旦后台线程创建并初始化，它将进入无条件 for通过 set _ task _ state ( tsk ,TASK _ INTERRUPTIBLE) 将此线程推入可中断睡眠的队列，并调用 schedule ti m eou t (H Z/100)实现 15毫秒的挂起过程。此时让出 CPU,重新执行，直到中断或睡眠超过规定的时间。一旦线程被唤醒，请按顺序使用 set_kdc_gp io ( KDC _COL_PI NS ,1 ,PI NS _MODE _ENABLEI NTERRUPT,0) 使 所有列GPI O 口中断，然后调用 down _ i nterrupti b l e ( & kdc- > irq _wa it): 这个函数的作用是获得信号量 irq_wa it ,把 irq_ w a i t如果信号量 irq_wa it的值非负,如果键盘线程失败，将直接返回TASK_I NTERRUPTIBLE状态可以中断睡眠，直到下次键盘事件使用信号量 irq_ w a it只有唤醒这个线程，才能继续运行。因此，驱动程序会在不按键的情况下阻止其执行，而不会消耗任何 CPU资源。
4 . 4 键盘事件发生
一旦发生关键事件，即中断，进入中断处理程序 kd_ctr l _ irq( )在此函数中所做的工作如图 2所示。
图片 2kd_ ctrl_irq( )
唤醒后台线程后，列 GPI O禁止口中断，立即调用 kd_ctrl_event( )处理键盘事件。pxa _kdc _scan( )扫描键值: 设置 4 [1] 4小键盘的所有行 GPI O 口为输出状态,并设定它的值为 1 ,而所有列 GPIO口作为输入状态，然后逐行扫描，依次读取四列 GPI O 口状态，如果一列 GPIO 如果口电平较低，则表示此行有按钮，并根据行号和列号从相应的二维数组 （即键值映射表 ）中找到键 的键值。具体的 实现方法 为： 先设置第一行（ GPI O7)为 0 ，扫描列值 ( GPI O3 、 GPI O2 、GPI O1、 GPI O0)，如果其中一列值为 0 ，如 GPI O3 ，按下的键是 Key _5.扫描列后，将第一行设置为 1。第二行设置为 0 ，并再次扫描所有列的值。扫描 后，设置所有 线( GPI O7 、GPI O6 、GPI O5 、 GPI O4) 0 ，并恢复所有列为中断的方法，设置下降边缘是有效的。最后返回代表按钮是否按下参数pressure值。得到此值后，调用 stati c i n line vo i d kd_c trl_ev t_add( struc t kd_ctrl* kdc ,u8 pressure ,u8 keyva l ue )函数将所得值保存在相应的结构中，并将其添加到事件队列中，最后调用 w ake_up_ i nterrupti ble( & kdc- > read _ w a it)使用信号量 read_ w a it通知 read在缓冲区读取新数据。
4 . 5 读取键盘数据
由于用户程序需要不断轮询设备，以查询是否有数据读取。如果程序不休眠，会占用很多 CPU 资源。因此，当没有触摸数据时，任务将被阻止。此时，用户空间需要与核心同步，代码需要睡眠，使用信号量是唯一的选择，适用于锁将长期持有。如果任务试图获得已占用的信号量，信号量将首先推进等待队列， 然后让其睡眠。这时 CPU 能重获自由, 从而可以执行其他代码。当持有信号量的进程将信号量释放时, 处于等待队列中的那个任务将会被唤醒, 并获得该信号量。
等待队列是由等待某些事件发生的进程组成的简单链表。内核用 w ake_queue_head_t来表示等待队列。等待队列可通过 DECLARE _WAI TQUEUE ( )静态创建。一旦上层用户程序进行读操作, 系统调用将通过 kd_ctrl_read ( )函数来实现。
4 . 6 模块卸载
当内核需要卸载本驱动程序时, 最后会从本函数退出。
此时通过 modul e_ i nit( kd_ctrl_ i n it)函数需要将在驱动程序运行期间申请的系统资源全部释放掉,可以防止资源浪费。
5 结束语
本文介绍的嵌入式 Linux的一种矩阵小键盘, 成功实现了多键齐按和重复按键的功能, 已经用于手持嵌入式设备中, 实验证明性能稳定可靠。