Linux下按键驱动原理(使用原子操作)
硬件原理图分析
实验程序编写
- 修改设备树文件
- 按键驱动程序编写
- 编写测试APP(循环读取按键值)
运行测试
- 编译驱动程序和测试APP
- 运行测试(while循环导致CPU占用率很高，后面使用阻塞非阻塞IO处理)

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。I.MX6U-ALPHA 开发板上有一个按键，我们就使用此按键来完成GPIO 输入驱动程序，同时利用第四十七章讲的原子操作来对按键值进行保护。

Linux下按键驱动原理(使用原子操作)

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。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！

硬件原理图分析

本章实验硬件原理图参考15.2 小节即可。

实验程序编写

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 11_key。

修改设备树文件

1、添加pinctrl 节点

I.MX6U-ALPHA 开发板上的KEY 使用了UART1_CTS_B 这个PIN，打开imx6ull-alientek-emmc.dts，在iomuxc 节点的imx6ul-evk 子节点下创建一个名为“pinctrl_key”的子节点，节点内容如下所示：

1 pinctrl_key: keygrp {2   fsl,pins = <
3   MX6UL_PAD_UART1_CTS_B__GPIO1_IO18 0xF080 /* KEY0 */
4   >;
5 };

第3 行，将GPIO_IO18 这个PIN 复用为GPIO1_IO18，电气属性为0xF080。

2、添加KEY 设备节点

在根节点“/”下创建KEY 节点，节点名为“key”，节点内容如下：

1 key {2   #address-cells = <1>;
3   #size-cells = <1>;
4   compatible = "atkalpha-key";
5   pinctrl-names = "default";
6   pinctrl-0 = <&pinctrl_key>;
7   key-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* KEY0 */
8   status = "okay";
9 };

第6 行，pinctrl-0 属性设置KEY 所使用的PIN 对应的pinctrl 节点。
第7 行，key-gpio 属性指定了KEY 所使用的GPIO。

3、检查PIN 是否被其他外设使用

在本章实验中蜂鸣器使用的PIN 为UART1_CTS_B，因此先检查PIN 为UART1_CTS_B 这个PIN 有没有被其他的pinctrl 节点使用，如果有使用的话就要屏蔽掉，然后再检查GPIO1_IO18这个GPIO 有没有被其他外设使用，如果有的话也要屏蔽掉。

设备树编写完成以后使用“make dtbs”命令重新编译设备树，然后使用新编译出来的imx6ull-alientek-emmc.dtb 文件启动Linux 系统。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49.3.1.1 所示：

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，新建名为“11_key”的文件夹，然后在11_key文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“key”。工程创建好以后新建key.c 文件，在key.c里面输入如下内容：

#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>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名     : key.c
作者      : 左忠凯
版本      : V1.0
描述      : Linux按键输入驱动实验
其他      : 无
论坛      : www.openedv.com
日志      : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
***************************************************************/
#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 keyvalue;        /* 按键值      */
};struct key_dev keydev;        /* key设备 *//** @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)
{keydev.nd = of_find_node_by_path("/key");if (keydev.nd== NULL) {return -EINVAL;}keydev.key_gpio = of_get_named_gpio(keydev.nd ,"key-gpio", 0);//0是索引，在设备树里的第一个if (keydev.key_gpio < 0) {printk("can't get key0\r\n");//被占用return -EINVAL;}printk("key_gpio=%d\r\n", keydev.key_gpio);/* 初始化key所使用的IO */gpio_request(keydev.key_gpio, "key0");    /* 请求IO */gpio_direction_input(keydev.key_gpio);    /* 设置为输入 */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);       //设置按键值为0} else {   atomic_set(&dev->keyvalue, INVAKEY);     /* 无效的按键值 */}value = atomic_read(&dev->keyvalue);ret = copy_to_user(buf, &value, sizeof(value));//发送给上层应用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)
{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)
{/* 初始化原子变量 */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);register_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT, KEY_NAME);} else {                        /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&keydev.devid, 0, KEY_CNT, KEY_NAME);  /* 申请设备号 */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 */}/* 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);/* 4、创建类 */keydev.class = class_create(THIS_MODULE, KEY_NAME);if (IS_ERR(keydev.class)) {return PTR_ERR(keydev.class);}/* 5、创建设备 */keydev.device = device_create(keydev.class, NULL, keydev.devid, NULL, KEY_NAME);if (IS_ERR(keydev.device)) {return PTR_ERR(keydev.device);}return 0;
}/** @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("zuozhongkai");

第36~46 行，结构体key_dev 为按键的设备结构体，第45 行的原子变量keyvalue 用于记录按键值。
第56~74 行，函数keyio_init 用于初始化按键，从设备树中获取按键的gpio 信息，然后设置为输入。将按键的初始化代码提取出来，将其作为独立的一个函数有利于提高程序的模块化设计。
第83~94 行，key_open 函数通过调用keyio_init 函数来始化按键所使用的IO，应用程序每次打开按键驱动文件的时候都会初始化一次按键IO。
第104~120 行，key_read 函数，应用程序通过read 函数读取按键值的时候此函数就会执行。第110 行读取按键IO 的电平，如果为0 的话就表示按键按下了，如果按键按下的话第111 行就等待按键释放。按键释放以后标记按键值为KEY0VALUE。
第135~171 行，驱动入口函数，第138 行调用atomic_set 函数初始化原子变量默认为无效值。
第178~186 行，驱动出口函数。

key.c 文件代码很简单，重点就是key_read 函数读取按键值，要对keyvalue 进行保护。

编写测试APP(循环读取按键值)

新建名为keyApp.c 的文件，然后输入如下所示内容：

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名     : keyApp.c
作者      : 左忠凯
版本      : V1.0
描述      : 按键输入测试应用程序
其他      : 无
使用方法     ：./keyApp /dev/key
论坛      : www.openedv.com
日志      : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************//* 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;
}

第51~56 行，循环读取/dev/key 文件，也就是循环读取按键值，并且将按键值打印出来。

运行测试

编译驱动程序和测试APP

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为key.o，Makefile 内容如下所示：

KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := key.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为key.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：

make -j32

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。

运行测试(while循环导致CPU占用率很高，后面使用阻塞非阻塞IO处理)

将上一小节编译出来的key.ko 和keyApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 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

驱动加载成功以后如下命令来测试：

./keyApp /dev/key

输入上述命令以后终端显示如图49.4.2.1 所示：

按下开发板上的KEY0 按键，keyApp 就会获取并且输出按键信息，如图49.4.2.2 所示：

从图49.4.2.2 可以看出，当我们按下KEY0 以后就会打印出“KEY0 Press, value = 0XF0”，表示按键按下。但是大家可能会发现，有时候按下一次KEY0 但是会输出好几行“KEY0 Press, value = 0XF0”，这是因为我们的代码没有做按键消抖处理。如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod key.ko

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