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[操作系统]linux内核输入子系统分析


1、为何引入input system?

       以前我们写一些输入设备(键盘、鼠标等)的驱动都是采用字符设备、混杂设备处理的。问题由此而来,Linux开源社区的大神们看到了这大量输入设备如此分散不堪,有木有可以实现一种机制,可以对分散的、不同类别的输入设备进行统一的驱动,所以才出现了输入子系统。

       输入子系统引入的好处:

(1)统一了物理形态各异的相似的输入设备的处理功能。例如,各种鼠标,不论PS/2、USB、还是蓝牙,都被同样处理。

(2)提供了用于分发输入报告给用户应用程序的简单的事件(event)接口。你的驱动不必创建、管理/dev节点以及相关的访问方法。因此它能够很方便的调用输入API以发送鼠标移动、键盘按键,或触摸事件给用户空间。X windows这样的应用程序能够无缝地运行于输入子系统提供的event接口之上。

(3)抽取出了输入驱动的通用部分,简化了驱动,并提供了一致性。例如,输入子系统提供了一个底层驱动(成为serio)的集合,支持对串口和键盘控制器等硬件输入的访问。

 

2、输入子系统架构

上图展示了输入子系统的操作。此子系统包括一前一后运行的两类驱动:输入事件(event)驱动和输入设备(device)驱动。

        输入事件驱动负责和应用程序的接口;

        而输入设备驱动负责和底层输入设备的通信。

        输入事件驱动和输入设备驱动都可以利用输入子系统的高效、可重用的核心提供的服务。

        Now,我们看到输入子系统中有两个类型的驱动,当我们要为一个输入设备(如触摸屏)的编写驱动的时候,我们是要编写两个驱动:输入设备驱动和输入事件驱动??

       答案是否定的。在子系统中,事件驱动是标准的,对所有的输入类都是可以用的,所以你更可能的是实现输入设备驱动而不是输入事件驱动。你的设备可以利用一个已经存在的,合适的输入事件驱动通过输入核心和用户应用程序接口。

总结如下:

  输入子系统由输入子系统核心层( Input Core ),驱动层和事件处理层(Event Handler)三部份组成。一个输入事件,如鼠标移动,键盘按键按下,joystick的移动等等通过 input driver -> Input core -> Event handler -> userspace 到达用户空间传给应用程序。

  设备驱动层:将底层的硬件输入转化为统一事件型式,向输入核心(InputCore)汇报。

  输入核心层:为设备驱动层提供输入设备注册与操作接口,如:input_register_device;通知事件处理层对事件进行处理;

  事件驱动层:主要作用是和用户空间交互,如提供read,open等设备方法,创建设备文件等。

 

内核代码分析:

  输入设备注册分析:

    通过input_register_device函数注册一个输入设备,在这个函数中,首先通过设备ID去匹配handler的ID,以此找到对应的handler(事件处理者)。以按键输入设备为例:若匹配成功,则调用handler(evdev_handler)结构的connect函数创建一个设备文件,通过设备文件里的主设备号和次设备号将设备文件与字符设备驱动关联起来。(此处不用创建字符设备驱动,因为字符设备驱动已经在整个输入子系统初始化的时候创建好<register_chrdev>)

 

  事件上报分析:

    以按键输入设备为例:通过调用input_report_key---input_event---input_handle_event---input_pass_event函数,调用handler(evdev_handler)结构中的event函数将事件的信息(事件类型:按键;键值;按键状态etc,)打包成一个input_event结构,保存在handler的buffer中。当有app访问时,会通过访问字符设备文件,间接访问字符设备驱动,此处字符设备驱动的fops中只有open的实现函数,并没有其他实现函数,当进入fops中的open函数时,此处巧妙地将handler(evdev_handler)中的fops赋给字符设备驱动当中的fops,当app进行read时,此时调用的即为handler结构中的fops中的read函数(evdev_read---evdev_fetch_next_event)从buffer当中取出事件信息,交给用户空间(input_event_to_user---copy_to_user)。

 

 

Input driver编写要点

1、分配、注册、注销input设备

struct input_dev *input_allocate_device(void)
        int input_register_device(struct input_dev *dev)
        void input_unregister_device(struct input_dev *dev)

2、设置input设备支持的事件类型、事件码、事件值的范围、input_id等信息

include/linux/input.h中定义了支持的类型(下面列出的是2.6.22内核的情况)

#define EV_SYN           0x00
        #define EV_KEY           0x01
        #define EV_REL           0x02
        #define EV_ABS           0x03
        #define EV_MSC          0x04
        #define EV_SW            0x05
        #define EV_LED          0x11
        #define EV_SND         0x12
        #define EV_REP         0x14
        #define EV_FF             0x15
        #define EV_PWR        0x16
        #define EV_FF_STATUS        0x17
        #define EV_MAX          0x1f

一个设备可以支持一个或多个事件类型。每个事件类型下面还需要设置具体的触发事件码。比如:EV_KEY事件,需要定义其支持哪些按键事件码。

3、如果需要,设置input设备的打开、关闭、写入数据时的处理方法

参见usb键盘驱动:usbkbd.c

input_dev->open = usb_kbd_open;
        input_dev->close = usb_kbd_close;
        input_dev->event = usb_kbd_event;

4、在发生输入事件时,向子系统报告事件

用于报告EV_KEY、EV_REL、EV_ABS等事件的函数有:

void input_report_key(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
        void input_report_rel(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
        void input_report_abs(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)

如果你觉得麻烦,你也可以只记住1个函数(因为上述函数都是通过它实现的)

void input_event(struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value)

三、Event Handler层解析

1、Input输入子系统数据结构关系图

2、input_handler结构体

以evdev.c中的evdev_handler为例:

static struct input_handler evdev_handler = {
                .event = evdev_event, //向系统报告input事件,系统通过read方法读取
                .connect = evdev_connect, //和input_dev匹配后调用connect构建
                .disconnect = evdev_disconnect,
                .fops = &evdev_fops, //event设备文件的操作方法
                .minor = EVDEV_MINOR_BASE, //次设备号基准值
                .name = "evdev",
                .id_table = evdev_ids, //匹配规则
        };

3、input字符设备注册过程

drivers/input/input.c中:
        static int __init input_init(void)
        {
                int err;
                err = class_register(&input_class);
                ……
                err = register_chrdev(INPUT_MAJOR, "input", &input_fops);
                ……
        }

input_fops定义:

static const struct file_operations input_fops = {
                .owner = THIS_MODULE,
                .open = input_open_file,
        };

Input_dev和input_handler匹配后调用input_handler的connect。以evdev_handler为例:

static int evdev_connect(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev,const struct input_device_id *id)
        {
                struct evdev *evdev; 
                struct class_device *cdev;
                dev_t devt;
                int minor;
                int error;

        for (minor = 0; minor < EVDEV_MINORS && evdev_table[minor]; minor++);
                if (minor == EVDEV_MINORS) {
                        printk(KERN_ERR "evdev: no more free evdev devices\n");
                        return -ENFILE;
                }

        evdev = kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL);//为每个匹配evdev_handler的设备创建一个evdev。
                if (!evdev)
                        return -ENOMEM;

        INIT_LIST_HEAD(&evdev->client_list);
                init_waitqueue_head(&evdev->wait);

        evdev->exist = 1;
                evdev->minor = minor;
                evdev->handle.dev = dev;
                evdev->handle.name = evdev->name;
                evdev->handle.handler = handler;
                evdev->handle.private = evdev;
                sprintf(evdev->name, "event%d", minor);

        evdev_table[minor] = evdev;//记录evdev的位置,字符设备/dev/input/evnetx访问时根据次设备号及EVDEV_MINOR_BASE最终在evdev_open中找到对应的evdev
                devt = MKDEV(INPUT_MAJOR, EVDEV_MINOR_BASE + minor),
                cdev = class_device_create(&input_class, &dev->cdev, devt,dev->cdev.dev, evdev->name);//创建了event字符设备节点
                ……

        }

4、input字符设备的打开过程

static int input_open_file(struct inode *inode, struct file *file)
        {
                struct input_handler *handler = input_table[iminor(inode) >> 5];
                //得到对应的input_handler
                const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL;
                int err;
                if (!handler || !(new_fops = fops_get(handler->fops)))
                //取出对应input_handler的file_operations
                        return -ENODEV;
                if (!new_fops->open) {
                        fops_put(new_fops);
                        return -ENODEV;
                }
                old_fops = file->f_op;
                file->f_op = new_fops;//重定位打开的设备文件的操作方法
                err = new_fops->open(inode, file);
                if (err) {
                        fops_put(file->f_op);
                        file->f_op = fops_get(old_fops);
                }
                fops_put(old_fops);
                return err;
        }

5、input字符设备的其它操作

由于在open阶段已经把设备文件的操作操作方法重定位了到了具体的input_handler,所以其它接口操作(read、write、ioctl等),由各个input_handler的fops方法决定。如evdev.c中的:evdev_fops。