摘  要： 針對嵌入式系統(tǒng)的鍵盤驅(qū)動特點(diǎn)，以Linux 2.6.21內(nèi)核為例，提出了一種基于嵌入式Linux的矩陣鍵盤的實(shí)現(xiàn)方案。介紹了矩陣鍵盤的結(jié)構(gòu)及原理，設(shè)計(jì)了基于Platform機(jī)制的矩陣鍵盤驅(qū)動程序，并解決了按鍵去抖及重鍵問題。通過測試實(shí)踐，證明該驅(qū)動程序工作高效、穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞： 嵌入式Linux；Platform機(jī)制；矩陣鍵盤；鍵盤驅(qū)動程序

　在嵌入式系統(tǒng)中，Linux操作系統(tǒng)由于具有開放源碼、良好的可移植性、多任務(wù)等優(yōu)勢，已成為開發(fā)嵌入式產(chǎn)品的優(yōu)秀操作平臺，其中鍵盤是人機(jī)交互設(shè)備中重要的輸入設(shè)備，用于向設(shè)備輸入數(shù)據(jù)和信息[1]。在嵌入式系統(tǒng)中，一般使用簡易的鍵盤作為輸入設(shè)備[2]，它由一系列開關(guān)矩陣排列而成（包括數(shù)字鍵、字母鍵、符號鍵、功能鍵等）。實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描的方法有采用特定芯片和軟件方法兩種。
　采用特定芯片實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描，會增加嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的成本。而利用ARM處理器強(qiáng)大的功能，采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描不僅可以降低成本，還可以節(jié)省CPU的資源開銷。因此，本文提出的鍵盤方案是以嵌入式Linux和AT91RM9200為軟硬件平臺，設(shè)計(jì)了基于Platform機(jī)制的矩陣鍵盤驅(qū)動程序，解決了按鍵去抖及重鍵問題，在實(shí)際應(yīng)用中表明該方案具有很好的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。
1 矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)及原理
　硬件平臺是基于CE9200架構(gòu)的AT91RM9200處理器，工作于180 MHz時(shí)性能高達(dá)200 MIPS，功耗較低，適用于高性能的嵌入式系統(tǒng)。
　在鍵盤中，排列開關(guān)最常用、也最有效的方法是二維矩陣，所需的開關(guān)數(shù)目根據(jù)需求而定，開關(guān)放置在行與列的交點(diǎn)上。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)4×4矩陣鍵盤（k1~k16），由4根行線和4根列線組成，分別使用CPU的8個(gè)通用輸入/輸出GPIO（General Purpose I/O port）口，利用排阻作為上拉電阻。鍵盤按鍵使用鍋片式，當(dāng)按下某鍵，對應(yīng)行和列的GPIO口相互導(dǎo)通[3]。驅(qū)動程序初始化時(shí)，所有行均為輸入端，并設(shè)置為高電平；所有列均為輸出端，置為低電平。其電路原理圖如圖1所示。

2 Platform總線模型下鍵盤驅(qū)動
2.1 Platform總線模型
　Platform總線是Linux 2.6 kernel中引入的一種虛擬總線，Platform機(jī)制中將設(shè)備本身的資源注冊進(jìn)內(nèi)核，由內(nèi)核統(tǒng)一管理。在驅(qū)動程序中通過platform_device提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行申請并使用這些資源。platform_driver通過platform bus獲取platform_device，platfrom_driver的根本目的是為了統(tǒng)一管理系統(tǒng)的外設(shè)資源，為驅(qū)動程序提供統(tǒng)一的接口來訪問系統(tǒng)資源，將驅(qū)動和資源分離，從而來提高程序的可移植性[4]。
2.2 鍵盤驅(qū)動
　在Platform總線模型下，鍵盤驅(qū)動通常是采用層次式結(jié)構(gòu)，由上層鍵盤抽象層和下層鍵盤硬件處理層來實(shí)現(xiàn)[5]。上層是鍵盤驅(qū)動程序中的核心部分，實(shí)現(xiàn)將掃描碼轉(zhuǎn)換成鍵碼，再將鍵碼轉(zhuǎn)換成目標(biāo)碼存放到鍵值緩沖區(qū)等功能。上層鍵盤抽象層中還定義了一些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，而這些系統(tǒng)調(diào)用功能是由下層硬件處理層來實(shí)現(xiàn)的。下層是直接對硬件進(jìn)行操作，其具體實(shí)現(xiàn)是由不同的硬件所決定的。
3 鍵盤驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)
　鍵盤驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)可分為初始化函數(shù)的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)以及鍵盤掃描的實(shí)現(xiàn)三部分。
3.1 初始化函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
　初始化中主要完成設(shè)備注冊到系統(tǒng)內(nèi)核、資源申請、鍵盤設(shè)備檢測等工作。其具體實(shí)現(xiàn)過程可分為兩步：platform_device與platform_driver的定義及初始化、系統(tǒng)探測函數(shù)at91key_probe的實(shí)現(xiàn)。
3.1.1 platform_device與platform_driver的定義及初始化
　首先，注冊、初始化platform_device結(jié)構(gòu)變量，并將platform_device添加到platform總線；然后再進(jìn)行設(shè)備號的申請；最后對platform_driver進(jìn)行注冊，注冊函數(shù)如下：
　Ret=platform_driver_register（&at91key_driver）；
　platform_driver_register（）注冊時(shí)，會將當(dāng)前注冊的platform_driver中的name變量的值和已注冊的所有platform_device中的name變量的值進(jìn)行比較，只有找到具有相同名稱的platform_device才能注冊成功。當(dāng)注冊成功時(shí)，會調(diào)用platform_driver結(jié)構(gòu)元素probe函數(shù)指針（即at91key_probe）。
3.1.2 系統(tǒng)探測函數(shù)at91key_probe的實(shí)現(xiàn)
　在函數(shù)指針at91key_probe所指向的系統(tǒng)探測函數(shù)里，主要完成以下工作：
?。?）鍵盤端口（即8個(gè)GPIO端口）進(jìn)行初始化，初始化函數(shù)如下：
Init_Keyboard（）；
　在函數(shù)Init_Keyboard中，所有行的管腳均為輸入端，并設(shè)置為高電平；所有列的管腳為輸出端，并置為低電平。初始化函數(shù)如下：
void Init_Keyboard（void）
{
      //行線
at91_set_gpio_input（AT91_PIN_PB0，1）；
at91_set_gpio_input（AT91_PIN_PB1，1）；
at91_set_gpio_input（AT91_PIN_PB2，1）；
at91_set_gpio_input（AT91_PIN_PB3，1）；
     //列線
at91_set_gpio_output（AT91_PIN_PB4，0）；
at91_set_gpio_output（AT91_PIN_PB5，0）；
at91_set_gpio_output（AT91_PIN_PB11，0）；
at91_set_gpio_output（AT91_PIN_PB12，0）；
at91_sys_write（AT91_PMC_PCER，（0x1<<AT91RM9200_ID_PIOB））；    
}
?。?）將已分配到的設(shè)備號以及設(shè)備操作接口（即為struct file_operations結(jié)構(gòu)）賦予struct cdev結(jié)構(gòu)變量，用cdev_init（）函數(shù)初始化已分配到的結(jié)構(gòu)并與file_operations結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來，再調(diào)用cdev_add（）函數(shù)將設(shè)備號與struct cdev結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)聯(lián)并向內(nèi)核正式報(bào)告新設(shè)備的注冊。其注冊函數(shù)如下：
cdev_init（&at91_key->chrdev，&key_fops）；
ret=cdev_add（&at91_key->chrdev，dev_id，1）；
?。?）利用函數(shù)class_create和class_device_create自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。其函數(shù)如下：
key_class=class_create（THIS_MODULE，KEY_NAME）；
cls_key_dev=class_device_create（key_class，NULL，dev_id，&pdev->dev，KEY_NAME）；
?。?）啟動系統(tǒng)內(nèi)核定時(shí)器key_run_timer（），按固定的時(shí)間間隔（即定時(shí)器處理函數(shù)觸發(fā)時(shí)間為100 ms）來執(zhí)行鍵盤掃描函數(shù)Scan_Keyboard（）。
3.2 系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
　Linux為字符設(shè)備提供了統(tǒng)一的操作函數(shù)接口，內(nèi)核使用file_operations結(jié)構(gòu)建立主設(shè)備號和設(shè)備驅(qū)動程序的連接[6]。file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指明能夠?qū)ζ湓O(shè)備文件進(jìn)行的操作，其中大部分是指向用戶自己編寫的設(shè)備操作函數(shù)的函數(shù)指針，其相當(dāng)于一個(gè)指針跳轉(zhuǎn)表。在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序以文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方式為I/O設(shè)備提供一組入口點(diǎn)。因此，對此結(jié)構(gòu)的訪問就相當(dāng)于操作設(shè)備文件。
　在內(nèi)核中是使用file_operation結(jié)構(gòu)中函數(shù)指針來訪問驅(qū)動程序的函數(shù)，文件可以認(rèn)為是一個(gè)“對象”，操作它的函數(shù)是“方法”，這些方法主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)。
　下面介紹本鍵盤驅(qū)動中打開函數(shù)、關(guān)閉函數(shù)及讀函數(shù)等系統(tǒng)調(diào)用的具體實(shí)現(xiàn)。
3.2.1 打開函數(shù)及關(guān)閉函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
　應(yīng)用程序打開設(shè)備文件時(shí)，會執(zhí)行驅(qū)動中的打開設(shè)備文件描述符的操作。通過file_opreation結(jié)構(gòu)中設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)的映射，調(diào)用驅(qū)動中的key_open函數(shù)。此函數(shù)主要是使用try_module_get（THIS_MODULE），去增加管理此設(shè)備的THIS_MODULE模塊的使用計(jì)數(shù)。
　同樣地，當(dāng)應(yīng)用程序中使用close函數(shù)來關(guān)閉設(shè)備文件時(shí)，實(shí)質(zhì)是通過對應(yīng)文件的file_opreation結(jié)構(gòu)中的release函數(shù)指針來執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)key_release。在函數(shù)key_release中使用module_put（THIS_MODULE）減少對管理此設(shè)備的THIS_MODULE模塊的使用計(jì)數(shù)。
這樣，當(dāng)設(shè)備在使用時(shí)，管理此設(shè)備的模塊就不能被卸載，只有設(shè)備不再使用時(shí)模塊才能被卸載。
3.2.2 讀函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
　鍵盤讀函數(shù)通過copy_to_user（）函數(shù)將從緩沖區(qū)讀取的鍵值復(fù)制到用戶數(shù)據(jù)區(qū)，上層應(yīng)用程序通過調(diào)用讀函數(shù)即可獲取該鍵值。鍵盤讀函數(shù)執(zhí)行流程如圖2所示。

　在鍵盤驅(qū)動中進(jìn)行讀操作時(shí)，聲明等待隊(duì)列之后，判斷當(dāng)前循環(huán)隊(duì)列是否有數(shù)據(jù)可讀，若無數(shù)據(jù)可讀，則直接跳出等待隊(duì)列，得到緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)cope_to_user，將得到的鍵值拷貝到用戶數(shù)據(jù)區(qū)；若有數(shù)據(jù)可讀，設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)，利用中斷狀態(tài)來等待數(shù)據(jù)循環(huán)隊(duì)列。當(dāng)有數(shù)據(jù)到循環(huán)隊(duì)列，設(shè)置狀態(tài)為任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)并跳出等待隊(duì)列，緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)拷貝到用戶數(shù)據(jù)區(qū)。一旦上層用戶程序進(jìn)行讀操作，系統(tǒng)調(diào)用將通過key_read（）函數(shù)來獲取用戶數(shù)據(jù)區(qū)的鍵值。
　等待隊(duì)列是由等待某些事件發(fā)生的進(jìn)程組成的簡單鏈表。內(nèi)核中每個(gè)等待隊(duì)列都要一個(gè)等待隊(duì)列頭（wake_queue_head），等待隊(duì)列頭是一個(gè)類型為wake_queue_head_t的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。等待隊(duì)列可通過DECLARE_WAITQUEUE（）靜態(tài)創(chuàng)建。
3.3 鍵盤掃描的實(shí)現(xiàn)
　矩陣鍵盤通常是采用逐行（或列）掃描的方式識別按鍵，通常分兩步進(jìn)行：（1）識別鍵盤有無鍵按下；（2）在有鍵按下時(shí)識別出具體的按鍵。鍵盤的工作方式有3種：編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。本方案采用高效率的定時(shí)掃描，定時(shí)掃描按照內(nèi)核定時(shí)器指定的時(shí)間間隔來執(zhí)行掃描工作。
　鍵盤掃描算法流程圖如圖3所示。

　鍵盤掃描過程是微處理器通過定時(shí)查看鍵盤矩陣以確定是否有鍵按下，并查詢被按下的鍵。驅(qū)動給每個(gè)按鍵分配一個(gè)鍵值，即按鍵的唯一標(biāo)識符。應(yīng)用程序通過按鍵鍵值識別被按下的鍵。初始化時(shí)，所有行均為輸入端，并設(shè)置為高電平，所有的列為輸出端，置為低電平；當(dāng)無鍵按下時(shí)，將從所有作為輸入端的行中讀到高電平。只要有按鍵閉合，其中一行將變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼?，微處理器只需檢測是否有某行電平變?yōu)榈碗娖郊纯纱_定是否有鍵按下。例如，在圖1中，如果PB1變?yōu)榈碗娖?，則表示k7、k8、k9和k15中至少有一個(gè)按鍵被按下。
　在確定按鍵操作所在行的位置之后，下一步就是要查看按鍵操作所在列的位置。在4個(gè)列輸出端口中，輪流將其中某一個(gè)端口的輸出置為低電平，其他3個(gè)端口的輸出置為高電平。這樣逐列進(jìn)行掃描，直到按鍵所在的列端口輸出為低電平，此時(shí)按鍵操作所在行的管腳的輸入端口的值會變成低電平。例如，在確認(rèn)k7、k8、k9和k15這行中有按鍵按下之后，進(jìn)行逐列掃描。若發(fā)現(xiàn)在PB5為低電平時(shí)（其他端口輸出均為高電平），PB1管腳的輸入端口變?yōu)榈碗娖?，則可以斷定按鍵k8被按下了。因此可從行號和列號對應(yīng)的二維數(shù)組（也就是鍵值映射表）中找到該鍵的鍵值。
4 按鍵抖動及重鍵問題的解決
　嵌入式系統(tǒng)中常用機(jī)械式按鍵，由于受到彈性作用的影響，鍵盤在被按下或釋放時(shí)，通常會產(chǎn)生機(jī)械抖動，需經(jīng)過一段時(shí)間后才能穩(wěn)定下來，因此處理器不能隨著按鍵的按下或釋放而產(chǎn)生明確的電平1或者0。雖然肉眼看來開關(guān)能夠快速穩(wěn)定地閉合，但與處理器運(yùn)行的速度相比，開關(guān)的動作則相對較慢。
　為了消除按鍵抖動的問題，根據(jù)開關(guān)的回彈特性，處理器按照一定的時(shí)間間隔對鍵盤進(jìn)行掃描，該時(shí)間間隔被稱為去除回彈周期，一般為30 ms~100 ms。
　鍵盤去抖的流程圖如圖4所示，流程描述如下：

?。?）初始化時(shí)，將鍵盤的狀態(tài)標(biāo)志變量Bsflag置為1。按內(nèi)核定時(shí)器設(shè)置的100 ms時(shí)間間隔對鍵盤進(jìn)行逐行掃描，若發(fā)現(xiàn)有鍵按下的信號出現(xiàn)時(shí)，此時(shí)就要確定是正常擊鍵行為還是抖動。
?。?）在檢測是不是抖動時(shí)，先啟動一個(gè)延時(shí)20 ms的定時(shí)器，20 ms之后再次對鍵盤進(jìn)行掃描，判斷硬件上是否有鍵按下，若沒有，則顯然是抖動；若有鍵按下，則是用戶正常擊鍵行為，因此將此鍵值iscancode存入鍵值緩沖區(qū)里，同時(shí)Bsflag=0。之后就啟動一個(gè)100 ms的定時(shí)器，這個(gè)定時(shí)器的作用是判斷用戶何時(shí)松開鍵盤（注意這里是100 ms的定時(shí)器，與剛才的20 ms不同）。
?。?）在100 ms定時(shí)器定時(shí)時(shí)間到了之后，要判斷此鍵是否已經(jīng)彈起。若還是按下，繼續(xù)啟動延時(shí)100 ms的定時(shí)器，在下一個(gè)100 ms時(shí)再進(jìn)行判斷。若是彈起，則要進(jìn)一步判斷是抖動現(xiàn)象還是已完全彈起，進(jìn)行一個(gè)20 ms的延遲去抖就可以完全判斷出來。當(dāng)判斷出鍵是完全彈起，則將此鍵值iscancode加上0x80存入鍵值緩沖區(qū)里，同時(shí)Bsflag=1。此時(shí)按鍵已經(jīng)完全地被松開彈起了。
　在程序中對鍵盤標(biāo)志變量Bsflag和鍵值緩沖區(qū)鍵值（是否小于0x80）進(jìn)行有效的判斷，完全可以解決按鍵的防抖及重鍵問題。
5 鍵盤驅(qū)動的測試
　驅(qū)動開發(fā)完成后，用insmod將模塊加載入內(nèi)核，在PC和目標(biāo)板之間搭建好嵌入式交叉編譯環(huán)境。在硬件平臺CE9200目標(biāo)板中的Linux系統(tǒng)下進(jìn)行測試，通過PC上的超級終端將測試結(jié)果信息打印顯示出來。
在圖5中顯示了鍵盤驅(qū)動設(shè)備的成功打開與關(guān)閉，以及對按鍵動作信號的高效準(zhǔn)確的響應(yīng)，并成功解決了按鍵防抖及重鍵問題，證明本設(shè)計(jì)的矩陣鍵盤工作高效、穩(wěn)定。

　本文提出的一種基于CE9200平臺和嵌入式Linux鍵盤驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了操作的高效和穩(wěn)定，已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐中的多款嵌入式設(shè)備，證明了在一定的要求下該方案完全能夠滿足性能要求。
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