嵌入式Linux之我行——按键驱动在2440上的实例开发（带去抖动）

嵌入式Linux之我行，主要讲述和总结了本人在学习嵌入式linux中的每个步骤。一为总结经验，二希望能给想入门嵌入式Linux的朋友提供方便。如有错误之处，谢请指正。

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一、开发环境

• 主  机：VMWare--Fedora 9
• 开发板：Mini2440--64MB Nand, Kernel:2.6.30.4
• 编译器：arm-linux-gcc-4.3.2

二、实现步骤

1. 硬件原理图分析。由原理图可知每个按键所用到的外部中断分别是EINT8、EINT11、EINT13、EINT14、EINT15、EINT19，所对应的IO口分别是GPG0、GPG3、GPG5、GPG6、GPG7、GPG11。再由按键的接口电路可知，当按键按下时按键接通，中断线上原有的VDD33V高电平被拉低，从而触发中断的产生。

2. 开始编写合适mini2440的按键驱动（含去抖动功能），文件名：my2440_buttons.c

1）按键驱动基本框架。这里我就指定主设备号为232，简单的注册为字符设备，另定义了一个结构体把按键要用到的资源组织起来

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>

#include <mach/regs-gpio.h>

#include <mach/hardware.h>

#define DEVICE_NAME    "my2440_buttons" //设备名称
#define DEVICE_MAJOR   232              //主设备号

//组织硬件资源结构体
struct button_irq_desc
{
    int irq;         //中断号
    int pin;         //对应的IO引脚
    int pin_setting; //引脚配置
    char *name;      //按键名称，注意这个名称，在后面的一个现象中会出现
};

//定义6个按键资源结构体数组
static struct button_irq_desc button_irqs[] =
{
    {IRQ_EINT8 , S3C2410_GPG0 , S3C2410_GPG0_EINT8  , "KEY0"},
    {IRQ_EINT11, S3C2410_GPG3 , S3C2410_GPG3_EINT11 , "KEY1"},
    {IRQ_EINT13, S3C2410_GPG5 , S3C2410_GPG5_EINT13 , "KEY2"},
    {IRQ_EINT14, S3C2410_GPG6 , S3C2410_GPG6_EINT14 , "KEY3"},
    {IRQ_EINT15, S3C2410_GPG7 , S3C2410_GPG7_EINT15 , "KEY4"},
    {IRQ_EINT19, S3C2410_GPG11, S3C2410_GPG11_EINT19, "KEY5"},
};

static int __init button_init(void)
{
    int ret;

    //注册字符设备
    ret = register_chrdev(DEVICE_MAJOR, DEVICE_NAME, &buttons_fops);

    if(ret < 0)
    {
        printk(DEVICE_NAME " register faild!\n");
        return ret;
    }

    return 0;
}

static void __exit button_exit(void)
{
    //注销字符设备
    unregister_chrdev(DEVICE_MAJOR, DEVICE_NAME);
}

module_init(button_init);
module_exit(button_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Huang Gang");
MODULE_DESCRIPTION("My2440 button driver");

2）设备注册时用到的设备操作结构体buttons_fops的定义。这里由于按键是输入的设备，所以这里只有read，没有write，另因在应用程序中要实时监测哪个按键被按下，故这里就用poll在内核中遍历，来提供给应用中的select遍历判断资源是否可获取，可获取才来read

#include <linux/poll.h>    //poll要用到的头文件

//设备操作列表
static struct file_operations buttons_fops =
{
    .owner        = THIS_MODULE,
    .open         = buttons_open,
    .release      = buttons_close,
    .read         = buttons_read,
    .poll         = buttons_poll,
};

3）设备操作结构体中open的实现。 在open中分别实现了IO口的配置、中断触发的方式、申请中断、初始化6个按键的初始状态和初始化6个按键去抖动定时器。中断服务程序为buttons_interrupt，传过去的参数是当前的中断号和索引；定时器服务程序为buttons_timer，传过去的参数是当前定时器的索引。注意：这里有一个关键字volatile，为什么要用这个关键字呢？请看这里：http://blog.chinaunix.net/u1/41845/showart_2038284.html

//中断要用到的头文件

#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/irq.h>

#define KEY_DOWN            0   //按键按下                   
#define KEY_UP              1   //按键抬起               
#define KEY_UNCERTAIN       2   //按键不确定                   
#define KEY_COUNT           6   //6个按键

static volatile int key_status[KEY_COUNT];      //记录6个按键的状态
static struct timer_list key_timers[KEY_COUNT]; //6个按键去抖动定时器

static int buttons_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;
    int ret;

    for(i = 0; i < KEY_COUNT; i++)
    {
        //设置6个IO口为中断触发方式
        s3c2410_gpio_cfgpin(button_irqs[i].pin, button_irqs[i].pin_setting);

        //设置中断下降沿为有效触发
        set_irq_type(button_irqs[i].irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING);
       
        //申请中断(类型为快速中断，中断服务时屏蔽所有外部中断？)
        ret = request_irq(button_irqs[i].irq, buttons_interrupt, IRQF_DISABLED, button_irqs[i].name, (void *)i);

        if(ret)
        {
            break;
        }

        //初始化6个按键的状态为抬起
        key_status[i] = KEY_UP;

        //初始化并设置6个去抖定时器
        setup_timer(&key_timers[i], buttons_timer, i);
    }

    if(ret)
    {
        //中断申请失败处理
        i--;

        for(; i >= 0; i--)
        {
            //释放已注册成功的中断
            disable_irq(button_irqs[i].irq);
            free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)i);
        }

        return -EBUSY;
    }

    return 0;
}

4）中断服务程序和去抖动定时器服务程序的实现。这里的中断服务和定时器服务互相的作用，首先中断触发后启动延时定时器，进入定时器服务后处理按键的状态，最后当前按键抬起后，中断服务又开始处理新的中断

#define KEY_TIMER_DELAY1  (HZ/50)       //按键按下去抖延时20毫秒       
#define KEY_TIMER_DELAY2  (HZ/10)       //按键抬起去抖延时100毫秒

static volatile int ev_press = 0;      //按键按下产生标识，用于在读设备的时候来判断是否有数据可读，否则进程睡眠

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq); //等待队列的定义并初始化

static irqreturn_t buttons_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    //获取当前按键资源的索引
    int key = (int)dev_id;

    //判断当前按键的状态已经抬起后才服务中断
    if(key_status[key] == KEY_UP)
    {
        //设置当前按键的状态为不确定
        key_status[key] = KEY_UNCERTAIN;

        //设置当前按键按下去抖定时器的延时并启动定时器
        key_timers[key].expires = jiffies + KEY_TIMER_DELAY1;
        add_timer(&key_timers[key]);
    }

    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

static void buttons_timer(unsigned long arg)
{
    //获取当前按键资源的索引
    int key = arg;

    //获取当前按键引脚上的电平值来判断按键是按下还是抬起
    int up = s3c2410_gpio_getpin(button_irqs[key].pin);

    if(!up)//低电平，按键按下
    {
        if(key_status[key] == KEY_UNCERTAIN)
        {
            //标识当前按键状态为按下
            key_status[key] = KEY_DOWN;

            //标识当前按键已按下并唤醒等待队列让设备进行读取
            ev_press = 1;

              wake_up_interruptible(&button_waitq);
        }

        //设置当前按键抬起去抖定时器的延时并启动定时器
        key_timers[key].expires = jiffies + KEY_TIMER_DELAY2;
        add_timer(&key_timers[key]);
    }
    else//高电平，按键抬起
    {
        //标识当前按键状态为抬起
        key_status[key] = KEY_UP;
    }
}

5)读设备的实现。从电路图可以看出按键设备相对于CPU来说为输入设备，所以这里只有read,而没有write

static int buttons_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *offp)
{
    unsigned long ret;

    if(!ev_press)//按键按下发生标识，0没有发生

    {
        if(file->f_flags & O_NONBLOCK)
        {
            //应用程序若采用非阻塞方式读取则返回错误
            return -EAGAIN;
        }
        else
        {
            //以阻塞方式读取且按键没按下产生，让等待队列进入睡眠
            wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
        }
    }

    //1为按键按下产生，并清除标识为0，准备给下一次判断用
    ev_press = 0;

    //将内核中的按键状态数据拷贝到用户空间给应用程序使用
    ret = copy_to_user(buf, (void *)key_status, min(sizeof(key_status), count));

    return ret ? -EFAULT : min(sizeof(key_status), count);
}

6）驱动中的轮询。这个与应用程序中的select的使用相对应

//驱动程序中的轮询，用于应用程序中的轮询查询是否可对设备进行访问
static int buttons_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{
    unsigned int mask = 0;

    //添加等待队列到等待队列表中(poll_table)
    poll_wait(file, &button_waitq, wait);

    if(ev_press)
    {
        //标识数据可以获得
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
    }

    return mask;
}

7）设备的关闭。

static int buttons_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;

    //释放6个定时器和中断
    for(i = 0; i < KEY_COUNT; i++)
    {
        del_timer(&key_timers[i]);

        disable_irq(button_irqs[i].irq);
        free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)i);
    }

    return 0;
}

3. 完整的按键驱动代码

/*
===================================================
Name            : my2440_buttons.c
Author          : Huang Gang
Date            : 09/11/2009
Copyright       : GPL
Description     : my2440 buttons driver
===================================================
*/

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/irq.h>
#include <mach/regs-gpio.h>
#include <mach/hardware.h>

#define DEVICE_NAME         "my2440_buttons"    //设备名称
#define DEVICE_MAJOR        232                 //主设备号               
#define KEY_TIMER_DELAY1    (HZ/50)             //按键按下去抖延时20毫秒       
#define KEY_TIMER_DELAY2    (HZ/10)             //按键抬起去抖延时100毫秒
#define KEY_DOWN            0                   //按键按下                   
#define KEY_UP              1                   //按键抬起               
#define KEY_UNCERTAIN       2                   //按键不确定                   
#define KEY_COUNT           6                   //6个按键                   

static volatile int ev_press = 0;                //按键按下产生标志
static volatile int key_status[KEY_COUNT];       //记录6个按键的状态   
static struct timer_list key_timers[KEY_COUNT];  //定义6个按键去抖动定时器
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);    //定义并初始化等待队列

//组织硬件资源结构体
struct button_irq_desc   
{
    int irq;            //中断号
    int pin;            //引脚
    int pin_setting;    //引脚配置
    char *name;         //按键名称，注意这个名称，在后面的一个现象中会出现
};

//定义6个按键资源结构体数组
static struct button_irq_desc button_irqs[] =
{
    {IRQ_EINT8 , S3C2410_GPG0 , S3C2410_GPG0_EINT8 , "KEY0"},
    {IRQ_EINT11, S3C2410_GPG3 , S3C2410_GPG3_EINT11 , "KEY1"},
    {IRQ_EINT13, S3C2410_GPG5 , S3C2410_GPG5_EINT13 , "KEY2"},
    {IRQ_EINT14, S3C2410_GPG6 , S3C2410_GPG6_EINT14 , "KEY3"},
    {IRQ_EINT15, S3C2410_GPG7 , S3C2410_GPG7_EINT15 , "KEY4"},
    {IRQ_EINT19, S3C2410_GPG11, S3C2410_GPG11_EINT19, "KEY5"},
};

static irqreturn_t buttons_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    //获取当前按键资源的索引
    int key = (int)dev_id;

    if(key_status[key] == KEY_UP)
    {
        //设置当前按键的状态为不确定
        key_status[key] = KEY_UNCERTAIN;

        //设置当前按键按下去抖定时器的延时并启动定时器
        key_timers[key].expires = jiffies + KEY_TIMER_DELAY1;
        add_timer(&key_timers[key]);
    }

    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

static void buttons_timer(unsigned long arg)
{
    //获取当前按键资源的索引
    int key = arg;

    //获取当前按键引脚上的电平值来判断按键是按下还是抬起
    int up = s3c2410_gpio_getpin(button_irqs[key].pin);

    if(!up)//低电平，按键按下
    {
        if(key_status[key] == KEY_UNCERTAIN)
        {
            //标识当前按键状态为按下
            key_status[key] = KEY_DOWN;

            //标识当前按键已按下并唤醒等待队列
            ev_press = 1;
            wake_up_interruptible(&button_waitq);
        }

        //设置当前按键抬起去抖定时器的延时并启动定时器
        key_timers[key].expires = jiffies + KEY_TIMER_DELAY2;
        add_timer(&key_timers[key]);
    }
    else//高电平，按键抬起
    {
        //标识当前按键状态为抬起
        key_status[key] = KEY_UP;
    }
}

static int buttons_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;
    int ret;

    for(i = 0; i < KEY_COUNT; i++)
    {
        //设置6个IO口为中断触发方式
        s3c2410_gpio_cfgpin(button_irqs[i].pin, button_irqs[i].pin_setting);

        //设置中断下降沿为有效触发
        set_irq_type(button_irqs[i].irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING);
       
        //申请中断(类型为快速中断，中断服务时屏蔽所有外部中断？)
        ret = request_irq(button_irqs[i].irq, buttons_interrupt, IRQF_DISABLED, button_irqs[i].name, (void *)i);

        if(ret)
        {
            break;
        }

        //初始化6个按键的状态为抬起
        key_status[i] = KEY_UP;

        //初始化并设置6个去抖定时器
        setup_timer(&key_timers[i], buttons_timer, i);
    }

    if(ret)
    {
        //中断申请失败处理
        i--;

        for(; i >= 0; i--)
        {
            //释放已注册成功的中断
            disable_irq(button_irqs[i].irq);
            free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)i);
        }

        return -EBUSY;
    }

    return 0;
}

static int buttons_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;

    //释放6个定时器和中断
    for(i = 0; i < KEY_COUNT; i++)
    {
        del_timer(&key_timers[i]);

        disable_irq(button_irqs[i].irq);
        free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)i);
    }

    return 0;
}

static int buttons_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *offp)
{
    unsigned long ret;

    if(!ev_press)//判断按键按下产生标识，0没有产生

    {
        if(file->f_flags & O_NONBLOCK)
        {
            //应用程序若采用非阻塞方式读取则返回错误

            return -EAGAIN;
        }
        else
        {
            //以阻塞方式读取且按键按下没有产生，让等待队列进入睡眠
            wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
        }
    }

    //1为按键按下产生，并清除标识为0，准备给下一次判断用
    ev_press = 0;

    //将内核中的按键状态数据拷贝到用户空间给应用程序使用
    ret = copy_to_user(buf, (void *)key_status, min(sizeof(key_status), count));

    return ret ? -EFAULT : min(sizeof(key_status), count);
}

//驱动程序中的轮询，用于应用程序中的轮询查询是否可对设备进行访问
static int buttons_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *wait)
{
    unsigned int mask = 0;

    //添加等待队列到等待队列表中(poll_table)
    poll_wait(file, &button_waitq, wait);

    if(ev_press)
    {
        //标识数据可以获得
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
    }

    return mask;
}

//设备操作列表
static struct file_operations buttons_fops =
{
    .owner        = THIS_MODULE,
    .open         = buttons_open,
    .release      = buttons_close,
    .read         = buttons_read,
    .poll         = buttons_poll,
};

static int __init button_init(void)
{
    int ret;

    //注册字符设备
    ret = register_chrdev(DEVICE_MAJOR, DEVICE_NAME, &buttons_fops);

    if(ret < 0)
    {
        printk(DEVICE_NAME " register faild!\n");
        return ret;
    }

    return 0;
}

static void __exit button_exit(void)
{
    //注销字符设备
    unregister_chrdev(DEVICE_MAJOR, DEVICE_NAME);
}

module_init(button_init);
module_exit(button_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Huang Gang");
MODULE_DESCRIPTION("My2440 button driver");

4.将按键驱动代码部署到内核中。

#cp -f my2440_buttons.c /linux-2.6.30.4/drivers/char //把驱动源码复制到内核驱动的字符设备下

#gedit /linux-2.6.30.4/drivers/char/Kconfig //添加按键设备配置

config MY2440_BUTTONS
    tristate "My2440 Buttons Device"
    depends on ARCH_S3C2440
    default y
    ---help---
      My2440 User Buttons

#gedit /linux-2.6.30.4/drivers/char/Makefile //添加按键设备配置

obj-$(CONFIG_MY2440_BUTTONS) += my2440_buttons.o

5.配置内核，选择按键设备选项

#make menuconfig

Device Drivers --->
    Character devices --->
        <*> My2440 Buttons Device (NEW)

6. 编译内核并下载到开发板上，查看已加载的设备：#cat /proc/devices，可以看到my2440_buttons的主设备号为232

7.编写应用程序测试按键驱动，文件名：buttons_test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int key_status[6];

    //以阻塞方式打开设备文件，非阻塞时flags=O_NONBLOCK
    fd = open("/dev/my2440_buttons", 0);

    if(fd < 0)
    {
        printf("Open Buttons Device Faild!\n");
        exit(1);
    }

    while(1)
    {
        int i;
        int ret;
        fd_set rds;
       
        FD_ZERO(&rds);
        FD_SET(fd, &rds);
       
        //应用程序进行轮询，查询是否可对设备进行访问
        ret = select(fd + 1, &rds, NULL, NULL, NULL);
       
        if(ret < 0)
        {
            printf("Read Buttons Device Faild!\n");
            exit(1);
        }
       
        if(ret == 0)
        {
            printf("Read Buttons Device Timeout!\n");
        }
        else if(FD_ISSET(fd, &rds))
        {
            //读设备
            ret = read(fd, key_status, sizeof(key_status));

            if(ret != sizeof(key_status))
            {
                if(errno != EAGAIN)
                {
                    printf("Read Button Device Faild!\n");
                }

                continue;
            }
            else
            {
                for(i = 0; i < 6; i++)
                {
                    //对应驱动中按键的状态，为0即按键被按下
                    if(key_status[i] == 0)
                    {
                        printf("Key%d DOWN\n", i + 1);
                    }
                }
            }
        }
    }

    close(fd);

    return 0;
}

8.在开发主机上交叉编译测试应用程序，并复制到文件系统的/usr/sbin目录下，然后重新编译文件系统下载到开发板上

#arm-linux-gcc -o buttons_test buttons_test.c

9. 在开发板上的文件系统中创建一个按键设备的节点，然后运行测试程序，效果图如下，观测按开发板上的按键时，在串口工具中会输出对应按键被按下的信息，也不会出现抖动现象（即按某个按键时，不会多次产生该按键按下的情况）

三、补充问题

1.当我们启动开发板后，按键驱动就会被自动加载，这个时候，我们执行#cat /proc/interrupts命令查看系统当前使用的中断情况，没有发现有按键的中断，这是为什么？看看我们的驱动代码就知道了，原来，按键驱动中的中断申请是在设备打开里面，这个时候设备只加载了还没有打开，所以这里还没有

2.修改驱动代码，把中断的申请放到设备初始化加载里面（即将open中所有的代码移到button_init中），再来看看系统中断使用的情况，按键的中断就出现了。52、55、57、58、59、63分别为6个按键的中断号，KEY0~KEY5按键名称就是驱动中提到注意的地方（注意这个名称，在后面的一个现象中会出现），就是在这里出现了