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一、Linux 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。本次实现按键输入，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！
二、硬件原理图分析
从上图中可以看出，按键 KEY0 是连接到 I.MX6U 的 UART1_CTS 这个 IO 上的， KEY0接了一个 10K 的上拉电阻，因此 KEY0 没有按下的时候 UART1_CTS 应该是高电平，当 KEY0按下以后 UART1_CTS 就是低电平。
三、开发环境
-
CPU：IMX6ULL
-
内核版本：Linux-5.19
四、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 imx6ul-14×14-evk.dtsi ，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：
pinctrl_key: keygrp {
fsl,pins = <
MX6UL_PAD_UART1_CTS_B__GPIO1_IO18 0xF080 /* key0 */
>;
};
第 3 行，将 GPIO_IO18 这个 PIN 复用为 GPIO1_IO18。
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：
key {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "imx6ull-key";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_key>;
key-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>;
status = "okay";
};
-
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
本次实验中按键使用的 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-toto.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)，结果如下所示：
/ # ls /proc/device-tree/
#address-cells clock-osc pmu
#size-cells compatible regulator-can-3v3
aliases cpus regulator-peri-3v3
backlight-display dts_led regulator-sd1-vmmc
beep key soc
chosen memory@80000000 sound-wm8960
clock-cli model spi4
clock-di0 name timer
clock-di1 panel
五、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 key.c 里面输入如下内容：
/************************************************************
* Copyright © toto Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
* Description:
* Version: 1.0
* Autor: toto
* Date: Do not edit
* LastEditors: Seven
* LastEditTime: Do not edit
************************************************************/
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#define KEY_CNT 1 /* 设备号数量 */
#define KEY_NAME "key" /* 设备名字 */
/*定义按键值*/
#define KEY0_VALUE 0xF0 /* 按键值 */
#define INVAKEY 0x00 /* 无效按键值 */
/* 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 */
/*
* @Brief 初始化按键使用的GPIO管脚
* @Call Internal or External
* @Param
* @Note NOne
* @RetVal 无
*/
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);
if(keydev.key_gpio < 0)
{
printk("can't get key-gpio\n");
return -EINVAL;
}
printk("key_gpio:%d\n", keydev.key_gpio);
/* c初始化 key 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;
}
/*
* @Brief 打开设备
* @Call Internal or External
* @Param inode:
* @Param filp:设备文件
* @Note NOne
* @RetVal 0:成功 其他值:失败
*/
static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
int ret = 0;
/* 设置私有数据 */
filp->private_data = &keydev;
/* 初始化按键IO */
ret = keyio_init();
if(ret < 0)
{
return ret;
}
return 0;
}
/*
* @Brief 从设备读数据
* @Call Internal or External
* @Param filp:要打开的设备文件描述符
* @Param buf:返回给用户空间的数据地址
* @Param cnt:要读取的数据长度
* @Param offt:相对于文件首地址的偏移
* @Note NOne
* @RetVal 读取的字节数，若为负值，表示读失败
*/
static ssize_t beep_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
int ret = 0;
unsigned char value;
struct key_dev *dev = filp->private_data;
/* key0 按下 */
if(gpio_get_value(dev->key_gpio) == 0)
{
/* 等待按键释放 */
while(!gpio_get_value(dev->key_gpio));
atomic_set(&dev->keyvalue, KEY0_VALUE);
}
else
{
/* 无效的按键值 */
atomic_set(&dev->keyvalue, INVAKEY);
}
/* 保存按键值 */
value = atomic_read(&dev->keyvalue);
ret = copy_to_user(buf, &value, sizeof(value));
return ret;
}
/*
* @Brief 写数据到设备
* @Call Internal or External
* @Param filp:要打开的设备文件描述符
* @Param buf:要写入设备的数据地址
* @Param cnt:要写入的数据长度
* @Param offt:相对于文件首地址的偏移
* @Note NOne
* @RetVal 写入的字节数，若为负值，表示写失败
*/
static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @Brief 关闭/释放设备
* @Call Internal or External
* @Param inode:
* @Param filp:要关闭的设备文件描述符
* @Note NOne
* @RetVal NOne
*/
static int beep_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 = beep_open,
.read = beep_read,
.write = beep_write,
.release = beep_release,
};
/*
* @Brief 驱动入口函数
* @Call Internal or External
* @Param None
* @Note NOne
* @RetVal NOne
*/
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 */
/* 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
{
/* 申请设备号 */
alloc_chrdev_region(&keydev.devid, 0, KEY_CNT, KEY_NAME);
/* 获取主设备号 */
keydev.major = MAJOR(keydev.devid);
/* 获取次设备号 */
keydev.minor = MINOR(keydev.devid);
}
printk("%s new_chrdev major:%d minor:%d\n", __func__,
keydev.major, keydev.minor);
/* 初始化cdev */
keydev.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&keydev.cdev, &key_fops);
/* 添加一个cdev */
cdev_add(&keydev.cdev, keydev.devid, KEY_CNT);
/* 创建类 */
keydev.class = class_create(THIS_MODULE, KEY_NAME);
if(IS_ERR(keydev.class))
{
return PTR_ERR(keydev.class);
}
/* 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;
}
/*
* @Brief 驱动出口函数
* @Call Internal or External
* @Param None
* @Note NOne
* @RetVal NOne
*/
static void __exit mykey_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
gpio_free(keydev.key_gpio);
/* 注销字符设备 */
/* 删除cdev */
cdev_del(&keydev.cdev);
/* 释放分配的设备号 */
unregister_chrdev_region(keydev.devid, KEY_CNT);
device_destroy(keydev.class, keydev.devid);
class_destroy(keydev.class);
}
module_init(mykey_init);
module_exit(mykey_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("toto");
六、编写测试 APP
key_app.c 测试程序具体代码如下：
/********************************************
*Description:
*Version: 1.0
*Autor: toto
*Date: Do not edit
*LastEditors: Seven
*LastEditTime: Do not edit
********************************************/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#define KEY0VALUE 0xF0
#define INVAKEY 0x00
/*
* @Brief main 主程序
* @Call Internal or External
* @Param argc:
* @Param argv:
* @Note NOne
* @RetVal 0-成功;其他-失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retval;
char *filename;
unsigned char keyvalue;
if(argc != 2)
{
printf("argc != 2\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
/*打开驱动文件*/
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("open filename:%d failed\n", filename);
return -1;
}
/* 要执行的操作：打开或关闭 */
while(1)
{
read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
if(keyvalue == KEY0VALUE)
{
/* 按下 */
printf("KEY0 down, value:0x%x\n", keyvalue);
}
}
/*关闭文件*/
close(fd);
return 0;
}
七、运行验证
开发板上电，将key.ko 和 key_app 这两个文件拷贝到 /lib/modules/5.19.0-g794a2f7be62d-dirty/ 目录中，输入如下命令加载 key.ko 驱动模块：
/ # insmod /lib/modules/5.19.0-g794a2f7be62d-dirty/key.ko
[ 108.608375] key_driver: loading out-of-tree module taints kernel.
[ 108.619185] mykey_init new_chrdev major:242 minor:0
驱动加载成功以后就可以使用如下命令来测试：
# ./key_app /dev/key
按下开发板上的 KEY0 按键， key_app 就会获取并且输出按键信息，如下所示：
/home/app # ./key_app /dev/key
[ 155.043576] key_gpio:18
KEY0 down, value:0xf0
KEY0 down, value:0xf0
KEY0 down, value:0xf0
KEY0 down, value:0xf0
KEY0 down, value:0xf0
KEY0 down, value:0xf0
从上面可以看出，当我们按下 KEY0 以后就会打印出“KEY0 down, value = 0XF0”，表示按键按下。会发现，有时候按下一次 KEY0 但是会输出好几行“KEY0 down,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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