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本帖最后由 正点原子 于 2020-9-16 12:26 编辑
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第三十一章Linux按键输入实验
在前几章我们都是使用的GPIO输出功能，还没有用过GPIO输入功能，本章我们就来学习一下如果在Linux下编写GPIO输入驱动程序。领航者开发板上有5个按键，四个轻触式按键和一个触摸按键，本章我们就以PS_KEY0按键为例，使用此按键来完成GPIO输入驱动程序，同时利用第三十章讲的互斥锁来对按键值进行保护。
31.1Linux下按键驱动原理
按键驱动和LED驱动原理上来讲基本都是一样的，都是操作GPIO，只不过一个是读取GPIO的高低电平，一个是从GPIO输出高低电平。本章我们实现按键输入，在驱动程序中实现read函数，读取按键值并将数据发送给上层应用测试程序，在read函数中，使用了互斥锁对读数据过程进行了保护，后面会讲解为什么使用互斥锁进行保护。Linux下的按键驱动原理很简单，接下来开始编写驱动。
注意，本章例程只是为了演示Linux下GPIO输入驱动的编写，实际中的按键驱动并不会采用本章中所讲解的方法，Linux下的input子系统专门用于输入设备！
31.2硬件原理图分析
打开领航者底板原理图，找到PS_KEY0按键原理图，如下所示：
图 42.2.1 按键原理图
从原理图可知，当PS_KEY0按键按下时，对应的管脚MIO12为低电平状态，松开的时候MIO12为高电平状态，所以可以通过读取MIO管脚的电平状态来判断按键是否被按下或松开！
31.3实验程序编写
本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\11_key。
31.3.1修改设备树文件
打开system-top.dts文件，在根节点“/”下创建一个按键节点，节点名为“key”，节点内容如下：
示例代码31.3.1.1 创建key节点
- 49 key {
- 50 compatible = "alientek,key";
- 51 status = "okay";
- 52 key-gpio = <&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_LOW>;
- 53 };
这个节点内容很简单。
第50行，设置节点的compatible属性为“alientek,key”。
第52行，key-gpio属性指定了PS_KEY0按键所使用的GPIO。
设备树编写完成以后使用，在linux内核源码目录下执行下面这条命令重新编译设备树：
- make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- system-top.dtb
图 42.3.1 重新编译设备树
然后将新编译出来的system-top.dtb文件重命名为system.dtb，将system.dtb文件拷贝到SD启动卡的Fat分区，替换以前的system.dtb文件，替换完成之后重启开发板。启动成功以后进入“/proc/device-tree”目录中查看“key”节点是否存在，如果存在的话就说明设备树基本修改成功(具体还要驱动验证)，结果如图 42.3.2所示：
图 42.3.2 key节点
31.3.2按键驱动程序编写
设备树准备好以后就可以编写驱动程序了，在drivers目录下新建名为“11_key”的文件夹，然后在11_key文件夹里面新建一个名为key.c的源文件，在key.c里面输入如下内容：
示例代码31.3.2.1 key.c文件代码
- 1 /***************************************************************
- 2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
- 3 文件名 : key.c
- 4 作者 : 邓涛
- 5 版本 : V1.0
- 6 描述 : Linux按键输入驱动实验
- 7 其他 : 无
- 8 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
- 9 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
- 10 ***************************************************************/
- 11
- 12 #include <linux/types.h>
- 13 #include <linux/kernel.h>
- 14 #include <linux/delay.h>
- 15 #include <linux/ide.h>
- 16 #include <linux/init.h>
- 17 #include <linux/module.h>
- 18 #include <linux/errno.h>
- 19 #include <linux/gpio.h>
- 20 #include <asm/mach/map.h>
- 21 #include <asm/uaccess.h>
- 22 #include <asm/io.h>
- 23 #include <linux/cdev.h>
- 24 #include <linux/of.h>
- 25 #include <linux/of_address.h>
- 26 #include <linux/of_gpio.h>
- 27
- 28 #define KEY_CNT 1 /* 设备号个数 */
- 29 #define KEY_NAME "key" /* 名字 */
- 30
- 31 /* dtsled设备结构体 */
- 32 struct key_dev {
- 33 dev_t devid; /* 设备号 */
- 34 struct cdev cdev; /* cdev */
- 35 struct class *class; /* 类 */
- 36 struct device *device; /* 设备 */
- 37 int major; /* 主设备号 */
- 38 int minor; /* 次设备号 */
- 39 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
- 40 int key_gpio; /* GPIO编号 */
- 41 int key_val; /* 按键值 */
- 42 struct mutex mutex; /* 互斥锁 */
- 43 };
- 44
- 45 static struct key_dev key; /* led设备 */
- 46
- 47 /*
- 48 * @description : 打开设备
- 49 * @param – inode : 传递给驱动的inode
- 50 * @param – filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
- 51 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
- 52 * @return : 0 成功;其他 失败
- 53 */
- 54 static int key_open(struct inode *inode, struct file *filp)
- 55 {
- 56 return 0;
- 57 }
- 58
- 59 /*
- 60 * @description : 从设备读取数据
- 61 * @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
- 62 * @param – buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
- 63 * @param – cnt : 要读取的数据长度
- 64 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
- 65 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
- 66 */
- 67 static ssize_t key_read(struct file *filp, char __user *buf,
- 68 size_t cnt, loff_t *offt)
- 69 {
- 70 int ret = 0;
- 71
- 72 /* 互斥锁上锁 */
- 73 if (mutex_lock_interruptible(&key.mutex))
- 74 return -ERESTARTSYS;
- 75
- 76 /* 读取按键数据 */
- 77 if (!gpio_get_value(key.key_gpio)) {
- 78 while(!gpio_get_value(key.key_gpio));
- 79 key.key_val = 0x0;
- 80 } else
- 81 key.key_val = 0xFF;
- 82
- 83 /* 将按键数据发送给应用程序 */
- 84 ret = copy_to_user(buf, &key.key_val, sizeof(int));
- 85
- 86 /* 解锁 */
- 87 mutex_unlock(&key.mutex);
- 88
- 89 return ret;
- 90 }
- 91
- 92 /*
- 93 * @description : 向设备写数据
- 94 * @param – filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
- 95 * @param – buf : 要写给设备写入的数据
- 96 * @param – cnt : 要写入的数据长度
- 97 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
- 98 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
- 99 */
- 100 static ssize_t key_write(struct file *filp, const char __user *buf,
- 101 size_t cnt, loff_t *offt)
- 102 {
- 103 return 0;
- 104 }
- 105
- 106 /*
- 107 * @description : 关闭/释放设备
- 108 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
- 109 * @return : 0 成功;其他 失败
- 110 */
- 111 static int key_release(struct inode *inode, struct file *filp)
- 112 {
- 113 return 0;
- 114 }
- 115
- 116 /* 设备操作函数 */
- 117 static struct file_operations key_fops = {
- 118 .owner = THIS_MODULE,
- 119 .open = key_open,
- 120 .read = key_read,
- 121 .write = key_write,
- 122 .release = key_release,
- 123 };
- 124
- 125 static int __init mykey_init(void)
- 126 {
- 127 const char *str;
- 128 int ret;
- 129
- 130 /* 初始化互斥锁 */
- 131 mutex_init(&key.mutex);
- 132
- 133 /* 1.获取key节点 */
- 134 key.nd = of_find_node_by_path("/key");
- 135 if(NULL == key.nd) {
- 136 printk(KERN_ERR "key: Failed to get key node\n");
- 137 return -EINVAL;
- 138 }
- 139
- 140 /* 2.读取status属性 */
- 141 ret = of_property_read_string(key.nd, "status", &str);
- 142 if(!ret) {
- 143 if (strcmp(str, "okay"))
- 144 return -EINVAL;
- 145 }
- 146
- 147 /* 3.获取compatible属性值并进行匹配 */
- 148 ret = of_property_read_string(key.nd, "compatible", &str);
- 149 if(ret) {
- 150 printk(KERN_ERR "key: Failed to get compatible property\n");
- 151 return ret;
- 152 }
- 153
- 154 if (strcmp(str, "alientek,key")) {
- 155 printk(KERN_ERR "key: Compatible match failed\n");
- 156 return -EINVAL;
- 157 }
- 158
- 159 printk(KERN_INFO "key: device matching successful!\r\n");
- 160
- 161 /* 4.获取设备树中的key-gpio属性，得到按键所使用的GPIO编号 */
- 162 key.key_gpio = of_get_named_gpio(key.nd, "key-gpio", 0);
- 163 if(!gpio_is_valid(key.key_gpio)) {
- 164 printk(KERN_ERR "key: Failed to get key-gpio\n");
- 165 return -EINVAL;
- 166 }
- 167
- 168 printk(KERN_INFO "key: key-gpio num = %d\r\n", key.key_gpio);
- 169
- 170 /* 5.申请GPIO */
- 171 ret = gpio_request(key.key_gpio, "Key Gpio");
- 172 if (ret) {
- 173 printk(KERN_ERR "key: Failed to request key-gpio\n");
- 174 return ret;
- 175 }
- 176
- 177 /* 6.将GPIO设置为输入模式 */
- 178 gpio_direction_input(key.key_gpio);
- 179
- 180 /* 7.注册字符设备驱动 */
- 181 /* 创建设备号 */
- 182 if (key.major) {
- 183 key.devid = MKDEV(key.major, 0);
- 184 ret = register_chrdev_region(key.devid, KEY_CNT, KEY_NAME);
- 185 if (ret)
- 186 goto out1;
- 187 } else {
- 188 ret = alloc_chrdev_region(&key.devid, 0, KEY_CNT, KEY_NAME);
- 189 if (ret)
- 190 goto out1;
- 191
- 192 key.major = MAJOR(key.devid);
- 193 key.minor = MINOR(key.devid);
- 194 }
- 195
- 196 printk(KERN_INFO "key: major=%d, minor=%d\r\n", key.major, key.minor);
- 197
- 198 /* 初始化cdev */
- 199 key.cdev.owner = THIS_MODULE;
- 200 cdev_init(&key.cdev, &key_fops);
- 201
- 202 /* 添加cdev */
- 203 ret = cdev_add(&key.cdev, key.devid, KEY_CNT);
- 204 if (ret)
- 205 goto out2;
- 206
- 207 /* 创建类 */
- 208 key.class = class_create(THIS_MODULE, KEY_NAME);
- 209 if (IS_ERR(key.class)) {
- 210 ret = PTR_ERR(key.class);
- 211 goto out3;
- 212 }
- 213
- 214 /* 创建设备 */
- 215 key.device = device_create(key.class, NULL,
- 216 key.devid, NULL, KEY_NAME);
- 217 if (IS_ERR(key.device)) {
- 218 ret = PTR_ERR(key.device);
- 219 goto out4;
- 220 }
- 221
- 222 return 0;
- 223
- 224 out4:
- 225 class_destroy(key.class);
- 226
- 227 out3:
- 228 cdev_del(&key.cdev);
- 229
- 230 out2:
- 231 unregister_chrdev_region(key.devid, KEY_CNT);
- 232
- 233 out1:
- 234 gpio_free(key.key_gpio);
- 235
- 236 return ret;
- 237 }
- 238
- 239 static void __exit mykey_exit(void)
- 240 {
- 241 /* 注销设备 */
- 242 device_destroy(key.class, key.devid);
- 243
- 244 /* 注销类 */
- 245 class_destroy(key.class);
- 246
- 247 /* 删除cdev */
- 248 cdev_del(&key.cdev);
- 249
- 250 /* 注销设备号 */
- 251 unregister_chrdev_region(key.devid, KEY_CNT);
- 252
- 253 /* 释放GPIO */
- 254 gpio_free(key.key_gpio);
- 255 }
- 256
- 257 /* 驱动模块入口和出口函数注册 */
- 258 module_init(mykey_init);
- 259 module_exit(mykey_exit);
- 260
- 261 MODULE_AUTHOR("DengTao <<a href="mailto:773904075@qq.com">773904075@qq.com</a>>");
- 262 MODULE_DESCRIPTION("Alientek Gpio Key Driver");
- 263 MODULE_LICENSE("GPL");
第32~43行，结构体key_dev为按键的设备结构体，第40行的key_gpio表示按键对应的GPIO编号，第41行key_val用来保存读取到的按键值，第42行定义了一个互斥锁变量mutex，用来保护按键读取过程。
第67~90行，在key_read函数中，通过gpio_get_value函数读取按键值，如果当前为按下状态，则使用while循环等待按键松开，松开之后将key_val变量置为0x0，从按键按下状态到松开状态视为一次有效状态；如果当前为松开状态，则将key_val变量置为0xFF，表示为无效状态。使用copy_to_user函数将key_val值发送给上层应用；第73行，调用mutex_lock_interruptible函数上锁（互斥锁），第87行解锁，对整个读取按键过程进行保护，因为在于用于保存按键值的key_val是一个全局变量，如果上层有多个应用对按键进行了读取操作，将会出现第二十九章说到的并发访问，这对系统来说是不利的，所以这里使用了互斥锁进行了保护。应用程序通过read函数读取按键值的时候key_read函数就会执行！
第131行，调用mutex_init函数初始化互斥锁。
第178行，调用gpio_direction_input函数将按键对应的GPIO设置为输入模式。
key.c文件代码很简单，重点就是key_read函数读取按键值，要对读取过程进行保护。
31.3.3编写测试APP
在本章实验目录下新建名为keyApp.c的文件，然后输入如下所示内容：
示例代码31.3.3.1 keyApp.c文件代码
- 1 /***************************************************************
- 2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
- 3 文件名 : keyApp.c
- 4 作者 : 邓涛
- 5 版本 : V1.0
- 6 描述 : 按键测试应用程序
- 7 其他 : 无
- 8 使用方法 : ./keyApp /dev/key
- 9 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
- 10 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
- 11 ***************************************************************/
- 12
- 13 #include <stdio.h>
- 14 #include <unistd.h>
- 15 #include <sys/types.h>
- 16 #include <sys/stat.h>
- 17 #include <fcntl.h>
- 18 #include <stdlib.h>
- 19 #include <string.h>
- 20
- 21 /*
- 22 * @description : main主程序
- 23 * @param - argc : argv数组元素个数
- 24 * @param - argv : 具体参数
- 25 * @return : 0 成功;其他 失败
- 26 */
- 27 int main(int argc, char *argv[])
- 28 {
- 29 int fd, ret;
- 30 int key_val;
- 31
- 32 /* 判断传参个数是否正确 */
- 33 if(2 != argc) {
- 34 printf("Usage:\n"
- 35 "\t./keyApp /dev/key\n"
- 36 );
- 37 return -1;
- 38 }
- 39
- 40 /* 打开设备 */
- 41 fd = open(argv[1], O_RDONLY);
- 42 if(0 > fd) {
- 43 printf("ERROR: %s file open failed!\n", argv[1]);
- 44 return -1;
- 45 }
- 46
- 47 /* 循环读取按键数据 */
- 48 for ( ; ; ) {
- 49
- 50 read(fd, &key_val, sizeof(int));
- 51 if (0x0 == key_val)
- 52 printf("PS_KEY0 Press, value = 0x%x\n", key_val);
- 53 }
- 54
- 55 /* 关闭设备 */
- 56 close(fd);
- 57 return 0;
- 58 }
第48~53行，循环读取/dev/key文件，也就是循环读取按键值，如果读取到的值为0，则表示是一次有效的按键（按下之后松开标记为一次有效状态），并打印信息出来。
31.4运行测试
31.4.1编译驱动程序和测试APP
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，将10_mutex实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录下，打开Makefile文件，将obj-m变量的值改为key.o，修改完之后Makefile内容如下所示：
示例代码31.4.1.1 Makefile.c文件内容
- 1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
- 2
- 3 obj-m := key.o
- 4
- 5 all:
- 6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
- 7
- 8 clean:
- 9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean
第3行，设置obj-m变量的值为key.o。
Makefile文件修改完成之后保存退出，在本实验目录下输入如下命令编译出驱动模块文件：
编译成功以后就会生成一个名为“key.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试keyApp.c这个测试程序：
- arm-linux-gnueabihf-gcc keyApp.c -o keyApp
编译成功以后就会生成keyApp这个应用程序。
31.4.2运行测试
将上一小节编译出来的key.ko和keyApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx中，输入如下命令加载key.ko驱动模块：
- depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
- modprobe key.ko //加载驱动
如下所示：
图 42.4.1 加载key驱动模块
驱动加载成功以后如下命令来测试：
按下开发板上的PS_KEY0按键，keyApp就会获取并且输出按键信息，如图 42.4.2所示：
图 42.4.2 打印按键值
从图 42.4.2可以看出，当我们按下PS_KEY0再松开以后就会打印出“KEY0 Press, value = 0x0”，表示这是一次完整的按键按下、松开事件。但是大家在测试过程可能会发现，有时候按下PS_KEY0会输出好几行“KEY0 Press, value = 0x0”，这是因为我们的代码没有做按键消抖处理，是属于正常情况。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
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曾经有一段真挚的爱情摆在我的面前，我没有珍惜，现在想起来，还好我没有珍惜……
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发表于 2020-9-9 15:26:01
