DRV_05_GPIO按键驱动分析与使用

韦东山

发布于 2021-12-08 11:01:55

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GPIO按键驱动分析与使用

参考资料：

Linux 5.x内核
- Documentation\devicetree\bindings\input\gpio-keys.txt
- drivers\input\keyboard\gpio_keys.c
Linux 4.x内核
- Documentation\devicetree\bindings\input\gpio-keys.txt
- drivers\input\keyboard\gpio_keys.c
设备树
- IMX6ULL：Linux-4.9.88/arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull-14x14.dts
- STM32MP157：Linux-5.4/arch/arm/boot/dts/stm32mp15xx-100ask.dtsi
- QEMU：linux-4.9.88/arch/arm/boot/dts/100ask_imx6ull_qemu.dts

1. 驱动程序框架

2. 设备树示例

2.1 设备树讲解

属性：

必备：compatible = "gpio-keys";
可选：
- autorepeat: 表示自动重复，按下按键不松开，驱动会自动重复上报按键值
对于每一个GPIO按键，都是一个子节点，有这些属性：
- gpios：使用哪个GPIO
- interrupts：对应的中断
- linux,code：对应的按键值
- 注意：gpios和interrupts至少要保留一个，不能都省略
- debounce-interval: 消除抖动的间隔，单位：ms，默认是5ms

2.2 100ASK_IMX6ULL

gpio-keys {
	compatible = "gpio-keys";
	pinctrl-names = "default";

	user1 {
		label = "User1 Button";
		gpios = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_LOW>;
		gpio-key,wakeup;
		linux,code = <KEY_1>;
	};

	user2 {
		label = "User2 Button";
		gpios = <&gpio4 14 GPIO_ACTIVE_LOW>;
		gpio-key,wakeup;
		linux,code = <KEY_2>;
	};
};

2.3 100ASK_STM32MP157

joystick {
		compatible = "gpio-keys";
		#size-cells = <0>;
		button-0 {
				 label = "usr_button0";
				 linux,code = <KEY_A>;
				interrupt-parent = <&gpiog>;
				interrupts = <3 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
		};
	   button-1 {
				 label = "usr_button1";
				 linux,code = <KEY_ENTER>;
				interrupt-parent = <&gpiog>;
				interrupts = <2 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
		};

};

2.4 QEMU

gpio-keys@0 {
				compatible = "gpio-keys";
				pinctrl-names = "default";
				pinctrl-0 = <&pinctrl_gpio_keys>;
				status = "okay";

				Key0{
						label = "Key 0";
						gpios = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
						linux,code = <KEY_1>;
				};
};

gpio-keys@1 {
				compatible = "gpio-keys";
				pinctrl-names = "default";
				pinctrl-0 = <&pinctrl_gpio_key1>;
				status = "okay";

				Key0{
						label = "Key 1";
						gpios = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
						linux,code = <KEY_2>;
				};
};

3. gpio_keys.c驱动程序分析

3.1 套路

根据设备树获得硬件信息：哪个GPIO、对于什么按键
分配/设置/注册input_dev结构体
request_irq: 在中断处理函数中确定按键值、上报按键值
- 有两种IRQ函数
- gpio_keys_gpio_isr：设备树中的用gpios来描述用到的引脚
- gpio_keys_irq_isr：设备树中的用interrupts来描述用到的引脚

3.2 gpio_keys_gpio_isr分析

理想状况是：按下、松开按键，各产生一次中断，也只产生一次中断。但是对于机械开关，它的金属弹片会反复震动。GPIO电平会反复变化，最后才稳定。一般是几十毫秒才会稳定。如果不处理抖动的话，用户只操作一次按键，会发生多次中断，驱动程序可能会上报多个数据。

怎么处理按键抖动？

在按键中断程序中，可以循环判断几十亳秒，发现电平稳定之后再上报
使用定时器

显然第1种方法太耗时，违背“中断要尽快处理”的原则，你的系统会很卡。

怎么使用定时器？看下图：

核心在于：在GPIO中断中并不立刻记录按键值，而是修改定时器超时时间，10ms后再处理。如果10ms内又发生了GPIO中断，那就认为是抖动，这时再次修改超时时间为10ms。只有10ms之内再无GPIO中断发生，那么定时器的函数才会被调用。在定时器函数中上报按键值。

3.3 gpio_keys_irq_isr分析

有个变量key_pressed，用来表示当前按键状态：初始值是false，表示按键没有被按下。

发生中断
- 上报"按下的值"：input_event(input, EV_KEY, button->code, 1); input_sync(input);
- 如果不延迟(!bdata->release_delay)
- 马上上报"松开的值"：input_event(input, EV_KEY, button->code, 0); input_sync(input);
- 如果延迟(bdata->release_delay)
- 启动定时器，过若干毫秒再上报"松开的值"
所以，使用gpio_keys_irq_isr时，一次中断就会导致上报2个事件：按下、松开
缺点：无法准确判断一个按键确实已经被松开了

4. QEMU上机实验

IMX6ULL、STM32MP157的出厂系统都已经配置的GPIO按键。可以执行以下命令确认设备节点：

cat /proc/bus/input/devices

然后执行hexdump /dev/input/event?(?表示某个数值)，并且操作按键来观察输出信息。

也可以在QEMU上做实验：原理图如下：

4.1 设置工具链

在Ubuntu中执行：

export ARCH=arm
export CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-
export PATH=$PATH:/home/book/100ask_imx6ull-qemu/ToolChain/gcc-linaro-6.2.1-2016.11-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin

4.2 配置内核

QEMU的内核里已经配置了GPIO按键的设备树，只需要编译出gpio_keys驱动程序即可。配置内核：执行make menuconfig

-> Device Drivers
  -> Input device support
    -> Generic input layer   
      -> Keyboards
         <M>   GPIO Buttons

4.3 编译驱动

book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu$ cd linux-4.9.88
book@100ask:~/100ask_imx6ull-qemu/linux-4.9.88$ make modules

成功的话，可以得到：

drivers/input/keyboard/gpio_keys.ko

复制到如下目录：

$ cp drivers/input/keyboard/gpio_keys.ko ~/nfs_rootfs/

4.4 启动QEMU

在Ubuntu中执行：

$ cd ubuntu-18.04_imx6ul_qemu_system
$ ./qemu-imx6ull-gui.sh

4.5 挂载NFS、实验

在QEMU中执行：

$ mount -t nfs -o nolock,vers=3 10.0.2.2:/home/book/nfs_rootfs /mnt
$ insmod /mnt/gpio_keys.ko
$ cat /proc/bus/input/devices   // 确认设备节点
$ hexdump /dev/input/event3

在QEMU的GUI界面操作：

x6ull-gui.sh

#### 4.5 挂载NFS、实验

在QEMU中执行：

```shell
$ mount -t nfs -o nolock,vers=3 10.0.2.2:/home/book/nfs_rootfs /mnt
$ insmod /mnt/gpio_keys.ko
$ cat /proc/bus/input/devices   // 确认设备节点
$ hexdump /dev/input/event3

在QEMU的GUI界面操作：