《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》第三十一章 Linux按键

正点原子 · 发表于 2022-1-22 14:45:50

1）实验平台：正点原子领航者V2 ZYNQ开发板
2) 章节摘自【正点原子】《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609032204975
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5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）正点原子FPGA技术交流QQ群：90562473

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。

   1.1Linux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！
   1.2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 31.2.1 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。
   1.3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\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\11_key
1.3.1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 创建key节点
49 key {
50 compatible = "alientek,key";
51 status = "okay";
52 key-gpio = <&gpio0 12 GPIO_ACTIVE_LOW>;
53 };

复制代码

   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

复制代码

图 31.3.1 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 31.3.2所示：

图 31.3.2 key节点

1.3.2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 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" style="">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" style="">773904075@qq.com</a>>");
262 MODULE_DESCRIPTION("Alientek Gpio Key Driver");
263 MODULE_LICENSE("GPL");

复制代码

   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。
1.3.3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 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" style="">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 }

复制代码

   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。
   1.4运行测试
1.4.1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 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

复制代码

   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：
make
   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

复制代码

编译成功以后就会生成keyApp这个应用程序。
1.4.2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

复制代码

如下所示：

图 31.4.1 加载key驱动模块

驱动加载成功以后如下命令来测试：

./keyApp /dev/key

复制代码

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 31.4.2所示：

图 31.4.2 打印按键值

从图 31.4.2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：

rmmod key.ko

复制代码

《领航者ZYNQ之嵌入式Linux开发指南_V2.0》第三十一章 Linux按键

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