1、引言
Linux由於其具有內核強大且穩定，易於擴展和裁減，豐富的硬件支持等諸多優點，在嵌入式系統中得到了廣泛的應用。很多嵌入式Linux系統，特別是一些具有與用戶強交互的嵌入式系統，往往需要配備一個特殊鍵盤，此時開發者需要根據實際情況，為自己的特殊鍵盤編寫驅動程序。
2、Linux鍵盤驅動簡介
Linux中的大多數驅動程序都采用了層次型的體系結構，鍵盤驅動程序也不例外。在Linux中，鍵盤驅動被劃分成兩層來實現。其中，上層是一個通用的鍵盤抽象層，完成鍵盤驅動中不依賴於底層具體硬件的一些功能，並且負責為底層提供服務；下層則是硬件處理層，與具體硬件密切相關，主要負責對硬件進行直接操作。鍵盤驅動程序的上層公共部分都在driver/keyboard.c中。該文件中最重要的就是內核用EXPORT_SYMBOL這個宏導出的handle_scancode函數。handle_scancode完成的功能是：首先將掃描碼轉換成鍵碼，接著根據shift, alt等擴展鍵的按下情況將鍵碼轉換成目標碼，一般情況下是ASCII碼，最後將該ASCII碼放到終端設備的緩沖區中，並且調度一個tasklet負責將其在顯示器上回顯出來。可以看出，這個函數完成的是鍵盤驅動程序中最核心的一些工作，而這些核心的邏輯功能是不依賴於底層硬件的，所以可以將其獨立出來，並且導出給底層的硬件處理函數調用。在這個文件中還定義了其它幾個回調函數，它們由鍵盤驅動程序中的上層公共部分調用，並由底層硬件處理函數實現。比如kbd_init_hw， kbd_translate, kbd_unexpected_up等等。其中kbd_translate由handle_scancode調用，負責將掃描碼轉換成鍵碼；鍵盤驅動程序的底層硬件處理部分則根據不同的硬件有不同的實現。例如PC平台上標准鍵盤的底層硬件處理函數都集中在driver/Pc_keyb.c中。這個文件包括了鍵盤中斷處理函數keyboard_interrupt，掃描碼到鍵碼轉換函數pckbd_translate等其他一些與底層硬件密切相關的函數。
在這種體系結構下，要添加一塊特殊鍵盤到系統中就顯得格外清晰。開發者只需為其編寫驅動程序中的底層硬件處理函數，就可以將該鍵盤驅動起來。一般說來，底層硬件處理函數中最重要的工作就是在鍵盤中斷處理中獲取被按下鍵的掃描碼，並且以它為參數調用handle_scancode，該掃描碼可以自己定義，但它必須唯一地標識出被按下鍵在鍵盤上的位置。此外，開發者還需要提供對應的從自定義掃描碼到鍵碼的轉換函數kbd_translate。具體的鍵碼轉換，將目標碼放到終端的輸入緩沖區，以及回顯等工作都由handle_scancode負責完成。在此我們也可以看出，內核導出函數handle_scancode在整個鍵盤驅動程序中，起著將上層通用抽象層和底層硬件處理層粘和起來的關鍵作用。
3、應用實例
下面我們將以一個具體的應用實例來說明在嵌入式Linux系統中給一個特殊鍵盤編寫驅動程序的具體過程。
3.1 硬件模塊描述
本系統的構建選用了三星公司的S3C2410開發板作為硬件平台。特殊鍵盤的硬件模塊主要由兩個SN74hc164芯片和一個4行16列的矩陣掃描電路構成。SN74hc164是一個8位的串形輸入並形輸出移位寄存器，它的內部由8個D觸發器串聯而成。其工作原理簡單說來是這樣的，SN74hc164芯片在時鐘CLK脈沖的上升沿將A，B引腳上的串形輸入在8個時鐘脈沖以後並行輸出到輸出引腳QA到QH。其真值表見圖1所示。
兩個SN74hc164芯片先串聯後，將它們的CLK引腳和CLR引腳分別接到S3C2410開發板的GPB2和GPB4端口上，並且將第一個SN74hc164芯片的A，B引腳接到開發板的GPB1端口上，這三個GPIO端口配置成輸出端口。這樣我們就借助於兩個SN74hc164寄存器，實現了只占用3個GPIO端口，給矩陣掃描電路的16列提供輸入，從而既節約了成本，又避免了GPIO資源的浪費。但這同時也給鍵盤驅動程序的實現帶來了一定的麻煩，驅動程序首先要將SN74hc164驅動起來，然後才能對矩陣電路的16列進行控制。該矩陣電路的4個行引腳分別被接到S3C2410的GPG6，GPG7，GPG8，GPG9端口上，並且這四個端口被配置成中斷源。無鍵按下時直接讀為高電位，使用時通過SN74hc164芯片先將鍵盤的16列置低電位，任何一個鍵被按下，相應的行GPG端口就會有從高到低的電壓跳變，從而觸發一次中斷。
3.2 軟件模塊描述
初始化部分。這部分包括硬件層和軟件層上的初始化。在本例中，需要先對矩陣電路和SN74hc164芯片所使用到的GPIO端口作配置，以使CPU可以對它們進行控制和訪問。為了要將某個GPIO端口配置成輸入輸出或者是中斷源，需要在對應的GPIO控制寄存器中設置正確的值，具體的值可以通過查閱S3C2410開發板手冊來獲得。比如，為了將GPB1設置成SN74hc164的輸入端，需要將GPBCON這個控制字中2，3兩位設置成二進制的01，為了將GPG6設置成電壓低跳變中斷源，需要將GPGCON中12，13兩位設置成二進制的10。在完成了硬件初始化操作以後，就是軟件層上的初始化了。首先將鍵盤中斷處理函數注冊到系統，然後設置好一個定時器結構，以便在中斷發生時將其掛到內核的定時器隊列中去，該定時器將觸發對鍵盤的掃描操作。最後通過SN74hc164將矩陣電路的16列置零。
中斷處理部分。如前所述，這部分軟件應該完成的工作就是掃描特殊鍵盤，確定哪個鍵被按下，並且拿到穩定的掃描碼，然後調用內核導出函數handle_scancode。在這個應用中，該特殊鍵盤的布局與PC標准鍵盤的布局比較相似，所以我們直接將PC鍵盤上對應鍵的系統掃描碼作為我們特殊鍵盤上各個鍵的掃描碼，同時我們將PC鍵盤驅動程序中掃描碼到鍵碼的轉換函數pckbd_translate作為我們的kbd_translate函數。
確定哪一個鍵被按下的算法如下。在中斷到來時，我們已經可以根據中斷號確定被按下的鍵在哪一行，我們還需要確定被按下的鍵在哪一列。為此，我們先給串聯的兩個SN74hc164芯片送一個CLR信號，清零，然後送16個1，使得特殊鍵盤的列均為高電位，此時我們在鍵盤的行端口讀到的都是高電位。在16個時鐘脈沖下，給SN74hc164芯片送入1個0和15個1，使得0在每一列上都唯一出現一次，於此同時在鍵盤行端口進行掃描。當被按下鍵所在列置0時，其所在行就會讀到一個低電位。使用這種“走0法”，我們就可以確定出鍵盤上哪個鍵被按下了。但是這種簡單的掃描算法還不夠，因為在這種類型的矩陣掃描鍵盤中，鍵的每次按下和抬起都會有10~20ms（這段時間的長短由硬件特性決定）的毛刺抖動存在，如圖2所示，所以為了獲取穩定的按鍵信息，必須要想辦法去掉這種抖動，才能避免將用戶的一次按鍵誤當作幾次按鍵來處理。去毛刺的一種常見的方法是在有鍵盤中斷到達時，並不立即去掃描鍵盤，而是先等待一段時間，等跳過毛刺抖動以後再去掃描鍵盤，其偽代碼如下所示：
等待一段時間，跳過抖動；
掃描鍵盤；
if 鍵盤上沒有鍵被按下
結束返回；
if 鍵盤上有鍵被按下
再次等待一段時間然後檢查同樣的鍵是否依然處於被按下狀態；
if 同樣的鍵任然是按下
將讀到的掃描碼返回；
else
直接返回；
這種解決方案固然可行，但是它使用了忙等的方法去毛刺，在忙等期間，系統做不了任何有用的工作。這對於計算資源本身就很有限的嵌入式Linux系統來說，是一種奢侈的浪費。本應用中，我們設計了一種適合嵌入式系統的去毛刺解決方案，使用效果良好。
由於Linux內核提供了定時器隊列，所以我們可以使用這種機制來避免忙等，提高系統的性能。當鍵盤上有鍵被按下時，鍵盤中斷處理程序首先關閉中斷源，進入輪詢模式，將一個timerlist對象掛入定時器隊列以後就結束了。掛入內核的定時器按時地被觸發，它所觸發的函數完成以下一些工作：先對整個鍵盤上所有的鍵進行一次掃描，並且將掃描得到的結果保存到一個靜態2維數組變量snap_shot_matrix[16][4]中。該變量描述的是在本次鍵盤掃描的這個時刻，鍵盤上所有鍵的按下情況。如果某個鍵沒有被按下，即處於松開狀態，那麼將snap_shot_matrix中對應的值置為0，如果某個鍵處於按下狀態，那麼將snap_shot_matrix中對應的值作自增1操作，若該值在自增1以後大於某個預先指定的數，我們就可以認為這是一個穩定值，並且將另一個大小為16*4的2維數組變量current_matrix對應坐標中的值置1，否則置0。這個變量描述的就是當前鍵盤上按鍵情況的穩定值了。也就是說我們首先把在本次掃描中得到的采樣數據作處理以後保存到snap_shot_matrix中，然後依據該變量中的值，過濾得到current_matrix，通過這樣一個過程來做去毛刺處理。在得到了本次掃描的穩定值current_matrix以後，我們將其與上次得到的穩定值previous_matrix作比較，從而確定與上次掃描時相比，此刻鍵盤上的按鍵情況是否發生了變化，以及此刻鍵盤上是否有鍵按下。如果發現鍵盤上沒有任何鍵被按下，則打開鍵盤中斷，再次切回到中斷模式。如果鍵盤上有鍵被按下，並且是不同於上次掃描到的被按下鍵，我們立刻調用按鍵處理函數process_key，它會調用鍵盤驅動中的上層函數handle_scancode。如果鍵盤上按下的鍵就是上次按下的那個鍵，我們將遞增一個計數器，當這個計數器達到某個指定值以後，我們就啟動所謂的Auto repeat功能，即用戶一直按著某個鍵，驅動程序自動重復產生鍵盤輸入。該計數器在被按下鍵發生變化時置0。但是只要鍵盤上仍然有鍵處於被按下狀態，我們就將當前讀到的鍵盤穩定值current_matrix拷貝到previous_matrix中去，並且再次將前面描述的定時器對象掛到內核定時器隊列中，過一段時間以後再次掃描整個鍵盤，直至鍵盤上沒有鍵被按下。
4、結束語
隨著信息社會以及計算機軟硬件技術的進步，嵌入式信息產品的設計和應用得到了迅速的發展，需要為自己的嵌入式Linux系統添加特殊鍵盤驅動的需求也越來越普遍。本文在介紹了Linux中鍵盤驅動程序的整體框架以後，以S3C2410開發板上的一個特殊鍵盤為例子，重點描述了在嵌入式Linux環境下，為特殊鍵盤編寫驅動程序時需要完成的工作，為類似的開發提供了一種思路和參考。
隨著信息社會以及計算機軟硬件技術的進步，嵌入式信息產品的設計和應用得到了迅速的發展，需要為自己的嵌入式Linux系統添加特殊鍵盤驅動的需求也越來越普遍。本文在介紹了Linux中鍵盤驅動程序的整體框架以後，以S3C2410開發板上的一個特殊鍵盤為例子，重點描述了在嵌入式Linux環境下，為特殊鍵盤編寫驅動程序時需要完成的工作，為類似的開發提供了一種思路和參考。