1.前言

本文描述了基于全志V3S开发板的按键驱动程序和测试应用程序的设计流程。

本次设计系统内核是基于linux3.4。

2.设计流程概述

本次设计的步骤是：
步骤一、编写一个driver_button.c的驱动程序。

步骤二、编写makefile文件，编译得到ko。

步骤三、编写一个app_button.c的测试应用程序。

步骤四、在V3S开发板中安装demo_driver驱动程序，并测试app_button应用程序。

3.编写驱动程序

3.1硬件电路

V3S开发板按键的硬件电路原理图如下：

根据原理图可知不同的按键按下对应不同的电压值，使用ADC采样LRADC0处的电压就可以识别是否有按键被按下，例如按键KEY3按下时LRADC0处的电压为0.6V。

我们查看V3S芯片数据手册，看看如何操作V3S芯片LRADC，V3S芯片关于LRADC的关键信息如下（详细数据请参考数据手册）：

LRADC的控制寄存器信息如下（LRADC寄存器详细数据请参考数据手册）：

我们只需要把LRADC配置成连续采样模式即可，具体配置如下：

LRADC_CTRL = 0x00C00041
LRADC_INTC = 0x00000013

3.2设计要点

本次按键驱动设计使用了以下两个知识点：

1、内核定时器使用
2、阻塞操作 （等待队列）

我们先学习一下这两个知识点。

3.2.1内核定时器

Linux内核定时器是一种基于时间点的计时方式，它以当前时刻为时间起点，以未来的某一时刻为终点，这种策略类似于闹钟。

Linux内核定时器的精度不高，不能作为高精度定时器使用。内核定时器并不是周期性运行，如果要想实现周期性的定时，就需要在定时中断处理函数中重新开启定时器。

使用Linux内核定时器需要增加如下头文件：

#include <linux/timer.h>  		
#include <linux/jiffies.h>

Linux内核定时器使用分为以下4个步骤：

1、声明定义一个定时器

struct timer_list timer; 

2、初始化定时器

/* 初始化定时器 */
init_timer(&timer); 
/* 设置定时处理函数 */
timer.function = time_callback; 
/* 设置定时时间 */
timer.expires=jiffies + msecs_to_jiffies(100); 

3、声明定义定时器中断回调函数
在回调函数中再次设置定时时间，实现周期定时

void time_callback(unsigned long arg)
{
	/* 设置定时器 */	
	mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(TIME_NUM));
}

4、启动定时器

add_timer(&timer); 

通过以上的4个步骤，我们就可以正常使用Linux内核定时器了。

3.2.2阻塞操作

相信大家去吃一些美味小食时都排队的经历吧，这种漫长的等待经历是不是还历历在目？除了在队伍里傻站着和刷刷手机，啥也干不了。

但是有些商场就有一种很好的等待机制：无线提示器。客户点餐后就可以在一定范围内自由活动，当你点的餐做好了，无线提示器会提示你去取餐。这种方式可以极大的减轻客户站立排队的低效和痛苦。
回到上面排队的例子，第一种站立式排队模式，当你处在这种等待模式下时你必须一直保存这种排队等待的状态，直到你买到你需要的商品。这种等待方式属于非阻塞式等待。
第二种无线提示器模式，当你完成商品付款后，就可以在一定范围内自由活动，直到收到无线提示器会提示你。这种等待方式属于阻塞式等待。
非常明显在大多数情况下阻塞式等待会更加高效。

我们使用linux等待队列实现阻塞操作，当事件未准备好时任务进入挂起状态，当事件准备好时唤醒任务。
使用等待队列需要包含如下头文件：

#include <linux/wait.h> 		
#include <linux/sched.h>

linux等待队列操作分为以下4个步骤：
1、定义等待队列和等待标志

wait_queue_head_t button_wait; 
bool  key_ready = false;

2、初始化等待队列

init_waitqueue_head(&button_wait);

3、进入等待

wait_event(button_wait, key_ready);

4、唤醒任务
需要在另外一处可以执行到的代码出执行唤醒代码

key_ready = true;
wake_up(&button_wait);

通过以上的4个步骤，我们就可以正常使用Linux等待队列进行阻塞操作了。

3.3按键驱动实现

描本次按键驱动程序策略如下：
1、应用程序通过驱动程序的read函数读取按键值，当检测有按键被按键时read函数返回按键值，当无按键按下时read函数使用等待队列让应用程序挂起（不继续运行）。

2、驱动程序中设置一个周期为10ms内核定时器，在定时器中断回调函数中检测按键是否被按下，并做去抖操作。如果在定时器中断回调函数中确定有按键被按下，此时唤醒因为等待按键被挂起的应用程序。

策略框图如下：

3.4驱动代码

编写一个demo_driver.c的驱动程序，驱动程序源码如下（代码不再作解释说明，可以参数代码注释）：

/**
*********************************************************************************************************
*                                        		driver_button
*                                      (c) Copyright 2021-2031
*                                         All Rights Reserved
*
* @File    : 
* @By      : liwei
* @Version : V0.01
* 
*********************************************************************************************************
**/

/**********************************************************************************************************
Includes 
**********************************************************************************************************/
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/cdev.h>

#include <linux/io.h>   		/*  io remap */
#include <linux/ioport.h>

#include <linux/timer.h>  		/* time */
#include <linux/jiffies.h>

#include <linux/uaccess.h>		/* copy */  

#include <linux/wait.h> 		/* wait */
#include <linux/sched.h>
/**********************************************************************************************************
Define
**********************************************************************************************************/
#define    DRIVER_MAJOR     232
#define    DEVICE_NAME     "driver_button"

#define 	BASE_ADDRESS 0x01C22800

#define   IOC_MAGIC  'w'
#define   IOCTL_TEST_ON   _IO(IOC_MAGIC,0)
#define   IOCTL_TEST_OFF   _IO(IOC_MAGIC,1)


#define BUTTON_NULL 	(0X3F)
#define BUTTON_HOME 	(0X04)
#define BUTTON_NEXT 	(0X0B)
#define BUTTON_PREV 	(0X11)
#define BUTTON_ENTER 	(0X18)

#define TIME_NUM 	(10)
#define FILTER_NUM 	(5) 

/**********************************************************************************************************
Typedef
**********************************************************************************************************/


/**********************************************************************************************************
Variables
**********************************************************************************************************/
/* gpio寄存器 */
static volatile unsigned char __iomem		*base_res;    	
static volatile unsigned char __iomem		*adc_base;
static volatile unsigned char __iomem		*adc_data;
static volatile unsigned char __iomem		*adc_ctl;
static volatile unsigned char __iomem		*adc_irq;
		
struct timer_list timer; /* 定义定时器 */
wait_queue_head_t button_wait; /* 等待队列 */
bool  key_ready = false;

static unsigned char user_key =  BUTTON_NULL;
static unsigned char last_key = BUTTON_NULL;
static unsigned char handle_key = BUTTON_NULL;

/**********************************************************************************************************
Function 
**********************************************************************************************************/


/***********************************************************************************************************
* @描述	: 键值处理
***********************************************************************************************************/
void get_key_value(unsigned char value)
{
	switch(value)
	{
		case BUTTON_HOME:
			user_key = 1;
		break;
		case BUTTON_NEXT:
			user_key = 2;
		break;
		case BUTTON_PREV:
			user_key = 3;
		break;
		case BUTTON_ENTER:
			user_key = 4;
		break;
		default :
		break;		
	}		
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	: 按键处理函数 
***********************************************************************************************************/
void button_handle(void)
{
	static unsigned char null_key_num = 0;
	static unsigned char valid_key_num = 0;
	/*判断按键是否为空*/
	if(*adc_data != BUTTON_NULL)
	{
		null_key_num = 0;
		last_key =  *adc_data;
		/*判断与上次有效键值是否一致*/
		if(handle_key != last_key)
		{	
			/*多次判断，去抖操作*/
			valid_key_num++;
			if(valid_key_num > FILTER_NUM)
			{
				valid_key_num = 0;
				handle_key = last_key;
				/*获取键值*/
				get_key_value(handle_key);
				/*唤醒等待任务*/
				key_ready = true;
				wake_up(&button_wait);				
			}			
		}
	}
	else
	{
		/*多次判断，去抖操作*/
		null_key_num++;
		valid_key_num = 0;
		if(null_key_num > FILTER_NUM)
		{
			/*按键为空*/
			null_key_num = 0;
			last_key = 	BUTTON_NULL;
			handle_key =  BUTTON_NULL;
			
		}		
	}		
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	: 定时器回调函数 
***********************************************************************************************************/
void time_callback(unsigned long arg)
{
	/* 设置定时器 */	
	mod_timer(&timer, jiffies + msecs_to_jiffies(TIME_NUM));
	/* 根据ADC数值 获取按键值 */
	button_handle();
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  初始化函数
***********************************************************************************************************/ 
void time_init(void)
{
	/* 初始化定时器 */
	init_timer(&timer); 
	/* 设置定时处理函数 */
	timer.function = time_callback; 
	/*  超时时间 2 秒 */
	timer.expires=jiffies + msecs_to_jiffies(TIME_NUM); 
	/*  启动定时器 */
	add_timer(&timer); 
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int ioremap_init(void)
{
    base_res = request_mem_region(BASE_ADDRESS , 0x10 , "GPIOE_MEM");
	
	if(base_res == NULL)
	{
		printk("request_mem_region BASE_ADDRESS,0x28 fail\n");		
	}
    else
	  printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================request_mem_region  ok ======================\n");
	
    /* IO映射 */
	adc_base = (unsigned char*)ioremap(BASE_ADDRESS , 0x10);

	if(adc_base == NULL)
	{	
		printk("ioremap BASE_ADDRESS,0x28 fail\n");	
	}	
  	else
	  printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================ioremap  ok ======================\n");

    /* 寄存器地址映射 */
	adc_ctl		=(unsigned int*)(adc_base + 0x00);
	adc_irq		=(unsigned int*)(adc_base + 0x04);
	adc_data 	=(unsigned int*)(adc_base + 0x0c);
	return 0;	
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int adc_init(void)
{
	*adc_ctl = 0x00C00041;
	*adc_irq = 0x00000013;	
	return 0;	
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int button_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk(KERN_EMERG "======================open======================\n");
	/* IO资源申请 */
	ioremap_init();
	/* 初始化adc  */
	adc_init();
	/* 初始化定时器  */
	time_init();
	/* 初始化等待队列  */	
	init_waitqueue_head(&button_wait);
	return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static ssize_t button_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk(KERN_EMERG "======================write======================\n");
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static ssize_t button_read(struct file *file,  char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
	char buff[20];
	char num;
	/* 判断按键是否有效 */	
	if(user_key == BUTTON_NULL )	
	{
		/* 无有效按键时，任务进入等待 */
		printk(KERN_EMERG "====================== wait : null key ======================\n");
		wait_event(button_wait, key_ready);
	}
	key_ready = false;
	/* 有效按键唤醒任务 */
	printk(KERN_EMERG "====================== wake up :valid key ======================\n");
	num = sprintf(buff,"%s%d","key = ", user_key);	
	copy_to_user(buf , buff , num);
	/* 清空按键数值 */
	user_key = BUTTON_NULL;
	memset(buff,0,20);

    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int button_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
	/* 删除定时器 */
	del_timer(&timer); 	
    printk(KERN_EMERG "======================close ======================\n");
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int button_ioctl( struct file *file,  unsigned int  cmd, unsigned long arg)
{
    printk(KERN_EMERG "======================ioctl ======================\n");	
    return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static struct file_operations driver_flops = 
{
	.owner  =   THIS_MODULE,
	.open   =   button_open,     
	.write  =   button_write,
	.read 	=  	button_read,
	.unlocked_ioctl = button_ioctl,
	.release =  button_close,
};
static struct cdev dev;
static     dev_t devno;
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static int __init driver_button_init(void)
{
    int ret;
    /* 申请设备号 */
   	ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, DEVICE_NAME);
	if(ret < 0) 
	{
		pr_err("alloc_chrdev_region failed!");
		return ret;
	}
	printk("MAJOR is %d\n", MAJOR(devno));
	printk("MINOR is %d\n", MINOR(devno)); 
	/* 注册设备 */
	cdev_init(&dev,  &driver_flops);
	ret = cdev_add(&dev ,  devno, 1);
	if (ret < 0) 
	{
		pr_err("cdev_add failed!");
		return ret;
	}
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================driver_button_init======================\n");
	return 0;
}
/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
static void __exit driver_button_exit(void)
{
    /* 注销设备 */
	cdev_del(&dev);
    /* 释放设备号 */
	unregister_chrdev_region(devno, 1);
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " ======================driver_button_exit======================\n");
}

/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
module_init(driver_button_init);
module_exit(driver_button_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
/***********************************************END*******************************************************/

4.编写makefile

本次设计通过单编ko的方式得到驱动ko，单编ko的详细说明请参考我的另外一篇文章《如何编译linux驱动ko》。本次设计的Makefile代码如下（根据开发环境指定内核路径和编译工具路径）：

.PHONY:    main  clean

KERNELDIR   :=   /home/liwei/v3_work/project/linux-3.4
PWD   :=   $(shell pwd)
CROSS_ARCH := /home/liwei/v3_work/tools/host/bin/arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc

obj-m   +=   driver_button.o
	
main: 
	$(MAKE) $(CROSS_ARCH) -C  $(KERNELDIR)   M=$(PWD)   modules 
	
clean: 
	rm   -rf   *.o   *~   core   .depend   .*.cmd   *.ko   *.mod.c   .tmp_versions *.symvers *.d *.markers *.order

将driver_button.c和上述的Makefile文件放在同一个目录下（路径为任意路径，不需要一定放在内核目录中），执行make指令，最终我们得到了驱动ko 。

5.编写应用程序

编写一个demo_app.c的应用程序，程序源码如下：

/**
*********************************************************************************************************
*                                        		demo
*                                      (c) Copyright 2021-2031
*                                         All Rights Reserved
*
* @File    : 
* @By      : liwei
* @Version : V0.01
* 
*********************************************************************************************************
**/

/**********************************************************************************************************
Includes 
**********************************************************************************************************/
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <unistd.h>


/***********************************************************************************************************
* @描述	:  
***********************************************************************************************************/
int main(int arvc, char *argv[])
{
	int fd;
	int buff[20] ;
	int num;
	printf("==========button test==================\n");
	//打开驱动 
	fd = open("/dev/driver_button",O_RDWR);

	while(1)
	{
		//执行驱动读操作
		num= read(fd,buff,15);	
		printf("run:%s\r\n",buff);
		//延时等待串口发送数据 ，清发送BUFF
		sleep(1);
		memset(buff,0,20);
	}
	
	return 0;
}
/***********************************************END*******************************************************/

应用程序源码用于测试按键驱动功能，在测试程序在一直循环读取按键驱动数据，并将按键数据打印出来。

我们将应用程序源码放在虚拟机的任意一个目录中，并在该目录下执行如下gcc编译指令：

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc app_button.c  -o app_button

于是我们得到一个可执行文件app_button

6.安装驱动及运行应用程序

目前我们得到了driver_button.ko和app_button两个文件，我们使用SecureCRTPortable工具将这两个文件传输到V3开发板中。

执行安装驱动指令：

insmod driver_button.ko 

执行创建文件节点指令：

mknod /dev/driver_button c 248 0

执行修改app_button文件权限指令：

chmod 777 app_button

执行运行demo_app指令：

./app_button

测试按键结果如下：

7.总结

本文本文描述了基于全志V3S开发板的按键驱动程序和测试应用程序的设计流程，本次设计细节如下：

1、硬件电路通过ADC识别按键。
2、使用内核定时器周期查询按键是否按下。
3、使用等待队列休眠等待按键的应用。

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作者：李巍
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