15 Linux 按键

一、Linux 按键驱动原理

??其实案件驱动和 LED 驱动很相似，只不过区别在于，一个是读取GPIO高低电平，一个是从GPIO输出高低电平。

??在驱动程序中使用一个整形变量来表示按键值，应用程序通过 read 函数来读取按键值，判断按键有没有按下。在这里，这个保存按键值的变量就是个共享资源，驱动程序要向其写入按键值，应用程序要读取按键值。所以我们要对其进行保护，对于整形变量而言我们首选的就是原子操作，使用原子操作对变量进行赋值以及读取。 ?

??这个例程只是演示 Linux 下的 GPIO 输入驱动，实际上有一个 Input 子系统，这个子系统是专门用于输入设备。

二、硬件原理图分析

??开发板一共就四个按键，一个是 RESET 按键，比较特殊。另外三个分别是 KEY0、KEY1 和 WK_UP，原理图如下：

??KEY0 接了一个 10K 的上拉电阻，因此 KEY0 没有按下的时候 PG3 应该是高电平，当 KEY0 按下以后 PG3 就是低电平。?

三、实验程序编写

??首先修改设备树：在 "/" 根节点下创建 KEY 节点，节点内容如下：

key {
		compatible = "alientek,key";
		status = "okay";
		key-gpio = <&gpiog 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
	};

??修改完的设备树需要编译后复制：

cd /linux/atk-mpl/linux/my_linux/linux-5.4.31/arch/arm/boot/dts
cp stm32mp157d-atk.dtb /home/alientek/linux/tftpboot/

??之后在 /linux/atk-mpl/Drivers 目录下创建 11_key，并创建好 Vscode 工程文件。创建 key.c 文件：

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define KEY_CNT			1		/* 设备号个数 	*/
#define KEY_NAME		"key"	/* 名字 		*/

/* 定义按键值 */
#define KEY0VALUE		0XF0	/* 按键值 		*/
#define INVAKEY			0X00	/* 无效的按键值  */

/* key设备结构体 */
struct key_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
	int key_gpio;			/* key所使用的GPIO编号		*/
	atomic_t keyvlaue;		// 按键值（被原子操作保护的）	
};

static struct key_dev keydev;		/* key设备 */

// 为什么这里这个放在这，是因为我们每打开设备的时候都初始化一次按键
/*
 * @description	: 初始化按键IO，open函数打开驱动的时候
 * 				  初始化按键所使用的GPIO引脚。
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int keyio_init(void)
{
	int ret;
	const char *str;
	
	/* 设置LED所使用的GPIO */
	/* 1、获取设备节点：keydev */
	keydev.nd = of_find_node_by_path("/key");
	if(keydev.nd == NULL) {
		printk("keydev node not find!\r\n");
		return -EINVAL;
	}

	/* 2.读取status属性 */
	ret = of_property_read_string(keydev.nd, "status", &str);
	if(ret < 0) 
	    return -EINVAL;

	if (strcmp(str, "okay"))
        return -EINVAL;
    
	/* 3、获取compatible属性值并进行匹配 */
	ret = of_property_read_string(keydev.nd, "compatible", &str);
	if(ret < 0) {
		printk("keydev: Failed to get compatible property\n");
		return -EINVAL;
	}

    if (strcmp(str, "alientek,key")) {
        printk("keydev: Compatible match failed\n");
        return -EINVAL;
    }

	/* 4、 获取设备树中的gpio属性，得到KEY0所使用的KYE编号 */
	keydev.key_gpio = of_get_named_gpio(keydev.nd, "key-gpio", 0);
	if(keydev.key_gpio < 0) {
		printk("can't get key-gpio");
		return -EINVAL;
	}
	printk("key-gpio num = %d\r\n", keydev.key_gpio);

	/* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
	ret = gpio_request(keydev.key_gpio, "KEY0");
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "keydev: Failed to request key-gpio\n");
        return ret;
	}

	/* 6、设置PG3输入模式 */
	ret = gpio_direction_input(keydev.key_gpio);
	if(ret < 0) {
		printk("can't set gpio!\r\n");
		return ret;
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int key_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	int ret = 0;
	filp->private_data = &keydev; 	/* 设置私有数据 */

	ret = keyio_init();				/* 初始化按键IO */
	if (ret < 0) {
		return ret;
	}

	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t key_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int ret = 0;
	int value;
	struct key_dev *dev = filp->private_data;

	if (gpio_get_value(dev->key_gpio) == 0) { 		/* key0按下 */
		while(!gpio_get_value(dev->key_gpio));		/* 等待按键释放 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, KEY0VALUE);		// 按键按下并释放后会赋值　0xF0
	} else {	
		atomic_set(&dev->keyvalue, INVAKEY);		/* 无效的按键值 */ // 没有按下则赋值　0x00
	}

	value = atomic_read(&dev->keyvalue);
	ret = copy_to_user(buf, &value, sizeof(value));
	return ret;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
static ssize_t key_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int key_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	struct key_dev *dev = filp->private_data;
	gpio_free(dev->key_gpio);
	
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations key_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = key_open,
	.read = key_read,
	.write = key_write,
	.release = 	key_release,
};

/*
 * @description	: 驱动入口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init mykey_init(void)
{
	int ret;
	/* 1、初始化原子变量    */
	keydev.keyvalue= (atomic_t)ATOMIC_INIT(0);

	/* 2、原子变量初始值为INVAKEY */
	atomic_set(&keydev.keyvalue, INVAKEY);

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (keydev.major) {		/*  定义了设备号 */
		keydev.devid = MKDEV(keydev.major, 0);
		ret = register_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT, KEY_NAME);
		if(ret < 0) {
			pr_err("cannot register %s char driver [ret=%d]\n", KEY_NAME, KEY_CNT);
			return -EIO;
		}
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		ret = alloc_chrdev_region(&keydev.devid, 0, KEY_CNT, KEY_NAME);	/* 申请设备号 */
		if(ret < 0) {
			pr_err("%s Couldn't alloc_chrdev_region, ret=%d\r\n", KEY_NAME, ret);
			return -EIO;
		}
		keydev.major = MAJOR(keydev.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		keydev.minor = MINOR(keydev.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("keydev major=%d,minor=%d\r\n",keydev.major, keydev.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	keydev.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&keydev.cdev, &key_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&keydev.cdev, keydev.devid, KEY_CNT);
	if(ret < 0)
		goto del_unregister;
		
	/* 4、创建类 */
	keydev.class = class_create(THIS_MODULE, KEY_NAME);
	if (IS_ERR(keydev.class)) {
		goto del_cdev;
	}

	/* 5、创建设备 */
	keydev.device = device_create(keydev.class, NULL, keydev.devid, NULL, KEY_NAME);
	if (IS_ERR(keydev.device)) {
		goto destroy_class;
	}
	return 0;

destroy_class:
	device_destroy(keydev.class, keydev.devid);
del_cdev:
	cdev_del(&keydev.cdev);
del_unregister:
	unregister_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT);
	return -EIO;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit mykey_exit(void)
{
	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&keydev.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(keydev.class, keydev.devid);
	class_destroy(keydev.class);
}

module_init(mykey_init);
module_exit(mykey_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ALIENTEK");
MODULE_INFO(intree, "Y");

??编写测试 APP：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

/* 定义按键值 */
#define KEY0VALUE	0XF0
#define INVAKEY		0X00

/*
 * @description		: main主程序
 * @param - argc 	: argv数组元素个数
 * @param - argv 	: 具体参数
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, ret;
	char *filename;
	int keyvalue;
	
	if(argc != 2){
		printf("Error Usage!\r\n");
		return -1;
	}

	filename = argv[1];

	/* 打开key驱动 */
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if(fd < 0){
		printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	/* 循环读取按键值数据！ */
	while(1) {
		read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
		if (keyvalue == KEY0VALUE) {	/* KEY0 */
			printf("KEY0 Press, value = %#X\r\n", keyvalue);	/* 按下 */
		}
	}

	ret= close(fd); /* 关闭文件 */
	if(ret < 0){
		printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}
	return 0;
}

四、运行测试

??编写 Makefile 文件：

KERNELDIR := /home/alientek/linux/atk-mpl/linux/my_linux/linux-5.4.31	# Linux内核源码路径
CURRENT_PATH := $(shell pwd)

obj-m := key.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

??编译 key.c 和 keyApp.c 文件：

make
arm-none-linux-gnueabihf-gcc keyApp.c -o keyApp

??将编译出来的 key.ko 和 keyApp 文件复制：

sudo cp keyApp key.ko /home/alientek/linux/nfs/rootfs/lib/modules/5.4.31/ -f

??开启开发板，输入以下命令：

cd /lib/modules/5.4.31
depmod
modprobe key.ko

??加载驱动：

./keyApp /dev/key

??按下开发板上的 KYE0，终端就会显示：

??按下 KEY0 打印? KEY0 Press, value = 0XF0 ，表示按键按下，但有时候按一次 KEY0 输出好几行，是因为没有坐消抖处理。

??卸载驱动：

rmmod key.ko

??总结：其实这跟 LED 驱动很类似，但后面会学到 Input 子系统，会让这个过程更加简单。