摘  要： 針對嵌入式系統(tǒng)的鍵盤驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái),，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(hào)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(huì)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(tái),，設(shè)計(jì)了基于Platform機(jī)制的矩陣鍵盤驅(qū)動(dòng)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(tái)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(dòng)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(dòng)
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(dòng)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(dòng)程序提供統(tǒng)一的接口來訪問系統(tǒng)資源,，將驅(qū)動(dòng)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(dòng)
　在Platform總線模型下,，鍵盤驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)
　鍵盤驅(qū)動(dòng)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(hào)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(huì)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(huì)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：
　（1）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(hào)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(hào)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(dòng)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(dòng)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(hào)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)別按鍵,，通常分兩步進(jìn)行：（1）識(shí)別鍵盤有無鍵按下,；（2）在有鍵按下時(shí)識(shí)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(dòng)給每個(gè)按鍵分配一個(gè)鍵值,，即按鍵的唯一標(biāo)識(shí)符。應(yīng)用程序通過按鍵鍵值識(shí)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?。因此,，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(huì)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(hào)和列號(hào)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(dòng)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(huì)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng),，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(dòng)作則相對較慢,。
　為了消除按鍵抖動(dòng)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：

　（1）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(hào)出現(xiàn)時(shí)，此時(shí)就要確定是正常擊鍵行為還是抖動(dòng),。
?。?）在檢測是不是抖動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)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(dòng),；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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)的測試
　驅(qū)動(dòng)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(tái)CE9200目標(biāo)板中的Linux系統(tǒng)下進(jìn)行測試,，通過PC上的超級(jí)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(dòng)設(shè)備的成功打開與關(guān)閉，以及對按鍵動(dòng)作信號(hào)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(tái)和嵌入式Linux鍵盤驅(qū)動(dòng)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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