driver: Linux设备模型之input子系统详解

2022-07-23 17:30:13

本节从整体上讲解了输入子系统的框架结构。有助于读者从整体上认识linux的输入子系统。在陷入代码分析的过程中，通过本节的知识能够找准方向，明白原理。

本节重点：

  • 输入子系统的框架结构
  • 各层对应内核中的文件位置
  • 输入子系统的事件处理机制
  • 输入子系统的驱动层基本操作流程
  • 输入子系统的驱动层常用函数

本节难点：

  • 输入子系统的事件处理机制
  • 输入子系统的驱动工作流程

1    初识linux输入子系统

linux输入子系统（linux input subsystem）从上到下由三层实现，分别为：输入子系统事件处理层（EventHandler）、输入子系统核心层（InputCore）和输入子系统设备驱动层。

对于输入子系统设备驱动层而言，主要实现对硬件设备的读写访问，中断设置，并把硬件产生的事件转换为核心层定义的规范提交给事件处理层。

对于核心层而言，为设备驱动层提供了规范和接口。设备驱动层只要关心如何驱动硬件并获得硬件数据（例如按下的按键数据），然后调用核心层提供的接口，核心层会自动把数据提交给事件处理层。

对于事件处理层而言，则是用户编程的接口（设备节点），并处理驱动层提交的数据处理。

对于linux输入子系统的框架结构如下图1所示：

driver: Linux设备模型之input子系统详解

图1  linux输入子系统框架结构

由上图所展现的内容就是linux输入子系统的分层结构。

/dev/input目录下显示的是已经注册在内核中的设备编程接口，用户通过open这些设备文件来打开不同的输入设备进行硬件操作。

事件处理层为不同硬件类型提供了用户访问及处理接口。例如当我们打开设备/dev/input/mice时，会调用到事件处理层的Mouse Handler来处理输入事件，这也使得设备驱动层无需关心设备文件的操作，因为Mouse Handler已经有了对应事件处理的方法。

输入子系统由内核代码drivers/input/input.c构成，它的存在屏蔽了用户到设备驱动的交互细节，为设备驱动层和事件处理层提供了相互通信的统一界面。

下图2简单描述了linux输入子系统的事件处理机制：

driver: Linux设备模型之input子系统详解

图2  linux输入子系统事件处理机制

由上图可知输入子系统核心层提供的支持以及如何上报事件到input event drivers。

作为输入设备的驱动开发者，需要做以下几步：

?           在驱动加载模块中，设置你的input设备支持的事件类型，类型参见表1设置

?           注册中断处理函数，例如键盘设备需要编写按键的抬起、放下，触摸屏设备需要编写按下、抬起、绝对移动，鼠标设备需要编写单击、抬起、相对移动，并且需要在必要的时候提交硬件数据（键值/坐标/状态等等）

?           将输入设备注册到输入子系统中

表1  Linux输入子系统支持的数据类型

EV_SYN     0x00    同步事件

EV_KEY     0x01    按键事件

EV_REL     0x02    相对坐标(如：鼠标移动，报告相对最后一次位置的偏移)

EV_ABS     0x03    绝对坐标(如：触摸屏或操作杆，报告绝对的坐标位置)

EV_MSC     0x04    其它

EV_SW      0x05    开关

EV_LED     0x11    按键/设备灯

EV_SND     0x12    声音/警报

EV_REP     0x14    重复

EV_FF      0x15    力反馈

EV_PWR    0x16    电源

EV_FF_STATUS    0x17   力反馈状态

EV_MAX    0x1f    事件类型最大个数和提供位掩码支持

由表1可知，设备所能表示的事件种类，一个设备可以选择一个或多个事件类型上报给输入子系统。

Linux输入子系统提供了设备驱动层上报输入事件的函数，在include/linux/input.h中：

voidinput_report_key(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value);      //上报按键事件

voidinput_report_rel(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value);       //上报相对坐标事件

voidinput_report_abs(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value);              //上报绝对坐标事件

……

当提交输入设备产生的输入事件之后，需要调用下面的函数来通知输入子系统，以处理设备产生的完整事件：

  1. void input_sync(struct input_dev *dev);

2    输入设备驱动的简单案例

在Linux内核文档的documentation/input下，有一个input-programming.txt文件，讲解了编写输入设备驱动程序的核心步骤。

提供的案例代码描述了一个button设备，产生的事件通过BUTTON_PORT引脚获取，当有按下/释放发生时，BUTTON_IRQ被触发，以下是驱动的源代码：

  1. #include
  2. #include
  3. #include
  4. #include
  5. #include
  6. static struct input_dev *button_dev;
  7. static void button_interrupt(int irq, void*dummy, struct pt_regs *fp)
  8. {
  9. input_report_key(button_dev, BTN_1, inb(BUTTON_PORT) & 1);
  10. input_sync(button_dev);
  11. }
  12. static int __init button_init(void)
  13. {
  14. int error;
  15. if (request_irq(BUTTON_IRQ, button_interrupt, 0, "button",NULL)) {
  16. printk(KERN_ERR"button.c: Can't allocate irq %d\n", button_irq);
  17. return -EBUSY;
  18. }
  19. button_dev = input_allocate_device();
  20. if (!button_dev) {
  21. printk(KERN_ERR"button.c: Not enough memory\n");
  22. error = -ENOMEM;
  23. goto err_free_irq;
  24. }
  25. button_dev->evbit[0] = BIT(EV_KEY);
  26. button_dev->keybit[LONG(BTN_0)] = BIT(BTN_0);
  27. error = input_register_device(button_dev);
  28. if (error) {
  29. printk(KERN_ERR"button.c: Failed to register device\n");
  30. goto err_free_dev;
  31. }
  32. return 0;
  33. err_free_dev:
  34. input_free_device(button_dev);
  35. err_free_irq:
  36. free_irq(BUTTON_IRQ, button_interrupt);
  37. return error;
  38. }
  39. static void __exit button_exit(void)
  40. {
  41. input_unregister_device(button_dev);
  42. free_irq(BUTTON_IRQ, button_interrupt);
  43. }
  44. module_init(button_init);
  45. module_exit(button_exit);

编写基于输入子系统的设备驱动程序需要包含

button_init函数说明：

当模块加载（insmod）或内核引导过程中，button_init函数会被调用。首先做的工作是获取能够正确控制硬件设备的硬件资源（例如内存、IO内存、中断和DMA），在代码中BUTTON_IRQ作为BUTTON设备的中断资源，通过request_irq（）函数被申请注册。当有按键按下/释放时，调用button_interrupt（）中断处理函数获取按键值BUTTON_PORT（BUTTON设备的I/O资源）。

那么输入子系统怎么能够知道这个设备为输入设备呢？通过第8行为设备定义一个用于描述一个输入设备对象。

  1. static struct input_dev *button_dev;

定义了button_dev之后，如何通知输入子系统有新的输入设备了呢？或者说如何把一个新的输入设备加入到输入子系统中呢？可以通过输入子系统核心层input.c中提供的函数分配一个输入设备，在代码的第25行。

  1. button_dev= input_allocate_device();

有了输入设备的描述，当事件产生时，输入子系统怎么能够知道设备产生的事件类型呢？通过32和33行的代码。

  1. button_dev->evbit[0]= BIT(EV_KEY);
  2. button_dev->keybit[LONG(BTN_0)]= BIT(BTN_0);

其中evbit和keybit成员分别代表设备产生的事件类型和上报的按键值。其中输入子系统的一些位操作NBITS、BIT、LONG经常被用到：

  1. #defineNBITS(x) (((x)/BITS_PER_LONG)+1)                 //通过位x获取数组的长度
  2. #defineBIT(x)       (1UL<<((x)%BITS_PER_LONG))       //返回位x在数组中的位域
  3. #defineLONG(x) ((x)/BITS_PER_LONG)                        //返回位x的索引

以上的工作做完之后，即可注册为输入设备了，代码的35行。

  1. input_register_device(button_dev);

这个函数把button_dev输入设备挂入输入设备链表中，并且通知事件处理层调用connect函数完成设备和事件处理的绑定，当用户打开设备时，便能够调用到相应的事件处理接口获得硬件上报的数据了。input_register_device（）函数是会睡眠的函数，因此不能够在中断上下文和持有自旋锁的代码中调用。

当我们把上面的工作做完之后，设备驱动中唯一值得关注的就是button_interrupt（）中断处理函数了。当按键动作发生，button_interrupt（）函数被调用，完成事件的上报由其中的两条语句完成。

  1. input_report_key(button_dev, BTN_1, inb(BUTTON_PORT) & 1);
  2. input_sync(button_dev);

其中input_report_key上报了这是一个按键事件，且它的值为inb(BUTTON_PORT) & 1，由于案例代码只产生一个按键的值，因此input_sync（）在这里不起关键作用。但如果是一个触摸屏，即有x坐标和y坐标，则需要通过input_sync（）函数把x和y坐标完整地传递给输入子系统。

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