Linux驱动之INPUT子系统框架
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按键、鼠标、键盘、触摸屏等都属于输入(input)设备， Linux 内核为此专门做了一个叫做 input子系统的框架来处理输入事件。输入设备本质上还是字符设备，只是在此基础上套上了 input 框架，用户只需要负责上报输入事件，比如按键值、坐标等信息， input 核心层负责处理这些事件。本章就来学习一下 Linux 内核中的 input 子系统框架。
一、input 子系统简介
input 就是输入的意思，因此 input 子系统就是管理输入的子系统，和 pinctrl、 gpio 子系统一样，都是 Linux 内核针对某一类设备而创建的框架。比如按键输入、键盘、鼠标、触摸屏等等这些都属于输入设备，不同的输入设备所代表的含义不同，按键和键盘就是代表按键信息，鼠标和触摸屏代表坐标信息，因此在应用层的处理就不同，对于驱动编写者而言不需要去关心应用层的事情，只需要按照要求上报这些输入事件即可。
为此 input 子系统分为 input 驱动层、 input 核心层、 input 事件处理层，最终给用户空间提供可访问的设备节点， input 子系统框架如下图所示：
上图中左边就是最底层的具体设备，比如按键、 USB 键盘/鼠标等，中间部分属于Linux 内核空间，分为驱动层、核心层和事件层，最右边的就是用户空间，所有的输入设备以文件的形式供用户应用程序使用。可以看出 input 子系统用到了前面讲解的驱动分层模型，编写驱动程序的时候只需要关注中间的驱动层、核心层和事件层，这三个层的分工如下：
-
驱动层：输入设备的具体驱动程序，比如按键驱动程序，向内核层报告输入内容。
-
核心层：承上启下，为驱动层提供输入设备注册和操作接口。通知事件层对输入事件进行处理。
-
事件层：主要和用户空间进行交互。
二、input 驱动编写流程
input 核心层会向 Linux 内核注册一个字符设备，大家找到 drivers/input/input.c 这个文件，input.c 就是 input 输入子系统的核心层，此文件里面有如下所示代码：
struct class input_class = {
.name = "input",
.devnode = input_devnode,
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(input_class);
...
static int __init input_init(void)
{
int err;
err = class_register(&input_class);
if (err) {
pr_err("unable to register input_dev class\n");
return err;
}
err = input_proc_init();
if (err)
goto fail1;
err = register_chrdev_region(MKDEV(INPUT_MAJOR, 0),
INPUT_MAX_CHAR_DEVICES, "input");
if (err) {
pr_err("unable to register char major %d", INPUT_MAJOR);
goto fail2;
}
return 0;
fail2: input_proc_exit();
fail1: class_unregister(&input_class);
return err;
}
第 11 行，注册一个 input 类，这样系统启动以后就会在/sys/class 目录下有一个 input 子目录，如下图所示：
第 21~22 行，注册一个字符设备，主设备号为 INPUT_MAJOR，INPUT_MAJOR 定义在 include/uapi/linux/major.h 文件中，定义如下：
因此， input 子系统的所有设备主设备号都为 13，我们在使用 input 子系统处理输入设备的时候就不需要去注册字符设备了，我们只需要向系统注册一个 input_device 即可。
1、注册 input_dev
在使用 input 子系统的时候我们只需要注册一个 input 设备即可，input_dev 结构体表示 input设备，此结构体定义在 include/linux/input.h 文件中，定义如下(有省略)：
struct input_dev {
const char *name;
const char *phys;
const char *uniq;
struct input_id id;
unsigned long propbit[BITS_TO_LONGS(INPUT_PROP_CNT)];
unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)]; /* 事件类型的位图 */
unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)]; /* 按键值的位图 */
unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)]; /* 相对坐标的位图 */
unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)]; /* 绝对坐标的位图 */
unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)]; /* 杂项事件的位图 */
unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)]; /*LED 相关的位图 */
unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)]; /* sound 有关的位图 */
unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)]; /* 压力反馈的位图 */
unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)]; /*开关状态的位图 */
unsigned int hint_events_per_packet;
unsigned int keycodemax;
unsigned int keycodesize;
void *keycode;
......
unsigned long key[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)];
unsigned long led[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)];
unsigned long snd[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];
unsigned long sw[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];
......
bool inhibited;
};
第 9 行， evbit 表示输入事件类型，可选的事件类型定义在 include/uapi/linux/input-event-codes.h 文件中，事件类型如下：
/*
* Event types
*/
#define EV_SYN 0x00 /* 同步事件 */
#define EV_KEY 0x01 /* 按键事件 */
#define EV_REL 0x02 /* 相对坐标事件 */
#define EV_ABS 0x03 /* 绝对坐标事件 */
#define EV_MSC 0x04 /* 杂项(其他)事件 */
#define EV_SW 0x05 /* 开关事件 */
#define EV_LED 0x11 /* LED */
#define EV_SND 0x12 /* sound(声音) */
#define EV_REP 0x14 /* 重复事件 */
#define EV_FF 0x15 /* 压力事件 */
#define EV_PWR 0x16 /* 电源事件 */
#define EV_FF_STATUS 0x17 /* 压力状态事件 */
#define EV_MAX 0x1f
#define EV_CNT (EV_MAX+1)
比如我们要使用到按键，那么就需要注册 EV_KEY 事件，如果要使用连按功能的话还需要注册 EV_REP 事件。
继续回到示例代码中，第 9 行~17 行的 evbit、 keybit、 relbit 等等都是存放不同事件对应的值。比如我们本章要使用按键事件，因此要用到 keybit， keybit 就是按键事件使用的位图， Linux 内核定义了很多按键值，这些按键值定义在 include/uapi/linux/input-event-codes.h 文件中，按键值如下：
#define KEY_RESERVED 0
#define KEY_ESC 1
#define KEY_1 2
#define KEY_2 3
#define KEY_3 4
#define KEY_4 5
#define KEY_5 6
#define KEY_6 7
#define KEY_7 8
#define KEY_8 9
#define KEY_9 10
#define KEY_0 11
#define KEY_MINUS 12
......
#define BTN_TRIGGER_HAPPY39 0x2e6
#define BTN_TRIGGER_HAPPY40 0x2e7
我们可以将开发板上的按键值设置为上述宏定义中的任意一个，比如我们本章实验会将 I.MX6U-ALPHA 开发板上的 KEY 按键值设置为 KEY_0。在编写 input 设备驱动的时候我们需要先申请一个 input_dev 结构体变量，使用input_allocate_device 函数来申请一个 input_dev，此函数原型如下所示：
struct input_dev *input_allocate_device(void)
函数参数和返回值含义如下：
- 参数：无
- 返回值： 申请到的 input_dev
如果要注销的 input 设备的话需要使用 input_free_device 函数来释放掉前面申请到的input_dev， input_free_device 函数原型如下：
void input_free_device(struct input_dev *dev)
函数参数和返回值含义如下：
- dev：需要释放的 input_dev
- 返回值： 无
申请好一个 input_dev 以后就需要初始化这个 input_dev，需要初始化的内容主要为事件类型(evbit)和事件值(keybit)这两种。 input_dev 初始化完成以后就需要向 Linux 内核注册 input_dev了，需要用到 input_register_device 函数，此函数原型如下：
int input_register_device(struct input_dev *dev)
函数参数和返回值含义如下：
- dev：要注册的 input_dev
- 返回值： 0， input_dev 注册成功；负值， input_dev 注册失败
同样的，注销 input 驱动的时候也需要使用 input_unregister_device 函数来注销掉前面注册的 input_dev， input_unregister_device 函数原型如下：
void input_unregister_device(struct input_dev *dev)
函数参数和返回值含义如下：
- dev：要注销的 input_dev
- 返回值： 无
综上所述， input_dev 注册过程如下：
-
①、使用 input_allocate_device 函数申请一个 input_dev。
-
②、初始化 input_dev 的事件类型以及事件值。
-
③、使用 input_register_device 函数向 Linux 系统注册前面初始化好的 input_dev。
-
④、卸载 input驱动的时候需要先使用 input_unregister_device 函数注销掉注册的 input_dev，然后使用 input_free_device 函数释放掉前面申请的 input_dev。 input_dev 注册过程示例代码如下所示：
struct input_dev *inputdev; /* input 结构体变量 */
/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
.....
nputdev = input_allocate_device(); /* 申请 input_dev */
nputdev->name = "test_inputdev"; /* 设置 input_dev 名字 */
/*********第一种设置事件和事件值的方法***********/
__set_bit(EV_KEY, inputdev->evbit); /* 设置产生按键事件 */
__set_bit(EV_REP, inputdev->evbit); /* 重复事件 */
__set_bit(KEY_0, inputdev->keybit); /*设置产生哪些按键值 */
/************************************************/
/*********第二种设置事件和事件值的方法***********/
keyinputdev.inputdev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) |
BIT_MASK(EV_REP);
keyinputdev.inputdev->keybit[BIT_WORD(KEY_0)] |=
BIT_MASK(KEY_0);
/************************************************/
/*********第三种设置事件和事件值的方法***********/
keyinputdev.inputdev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) |
BIT_MASK(EV_REP);
input_set_capability(keyinputdev.inputdev, EV_KEY, KEY_0);
/************************************************/
/* 注册 input_dev */
input_register_device(inputdev);
......
return 0;
}
/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
input_unregister_device(inputdev); /* 注销 input_dev */
input_free_device(inputdev); /* 删除 input_dev */
}
-
第 1 行，定义一个 input_dev 结构体指针变量。
-
第 4~30 行，驱动入口函数，在此函数中完成 input_dev 的申请、设置、注册等工作。第 7行调用 input_allocate_device 函数申请一个 input_dev。第 10~23 行都是设置 input 设备事件和按键值，这里用了三种方法来设置事件和按键值。第 27 行调用 input_register_device 函数向 Linux内核注册 inputdev。
-
第 33~37 行，驱动出口函数，第 35 行调用 input_unregister_device 函数注销前面注册的input_dev，第 36 行调用 input_free_device 函数删除前面申请的 input_dev。
2、上报输入事件
当向 Linux 内核注册好 input_dev 以后还不能高枕无忧的使用 input 设备， input 设备都是具有输入功能的，但是具体是什么样的输入值 Linux 内核是不知道的，需要获取到具体的输入值，或者说是输入事件，然后将输入事件上报给 Linux 内核。
比如按键，需要在按键中断处理函数，或者消抖定时器中断函数中将按键值上报给 Linux 内核，这样 Linux 内核才能获取到正确的输入值。不同的事件，其上报事件的 API 函数不同，依次来看一下一些常用的事件上报 API 函数。
首先是 input_event 函数，此函数用于上报指定的事件以及对应的值，函数原型如下：
void input_event(struct input_dev *dev,
unsigned int type, unsigned int code, int value)
函数参数和返回值含义如下：
- dev：需要上报的 input_dev
- type: 上报的事件类型，比如 EV_KEY
- code： 事件码，也就是我们注册的按键值，比如 KEY_0、 KEY_1 等等
- value：事件值，比如 1 表示按键按下， 0 表示按键松开。返回值： 无
input_event 函数可以上报所有的事件类型和事件值， Linux 内核也提供了其他的针对具体事件的上报函数，这些函数其实都用到了 input_event 函数。比如上报按键所使用的input_report_key 函数，此函数内容如下：
static inline void input_report_key(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
{
input_event(dev, EV_KEY, code, !!value);
}
从上面函数定义可以看出， input_report_key 函数的本质就是 input_event 函数，如果要上报按键事件的话还是建议大家使用 input_report_key 函数。同样的还有一些其他的事件上报函数，这些函数如下所示：
static inline void input_report_rel(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
static inline void input_report_abs(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
static inline void input_report_ff_status(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
static inline void input_report_switch(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
static inline void input_sync(struct input_dev *dev)
static inline void input_mt_sync(struct input_dev *dev)
当我们上报事件以后还需要使用 input_sync 函数来告诉 Linux 内核 input 子系统上报结束，input_sync 函数本质是上报一个同步事件，此函数原型如下所示：
static inline void input_sync(struct input_dev *dev)
{
input_event(dev, EV_SYN, SYN_REPORT, 0);
}
函数参数和返回值含义如下：
- dev：需要上报同步事件的 input_dev。
- 返回值： 无。
综上所述，按键的上报事件的参考代码如下所示：
/* 用于按键消抖的定时器服务函数 */
void timer_function(unsigned long arg)
{
unsigned char value;
value = gpio_get_value(keydesc->gpio); /* 读取 IO 值 */
if(value == 0){ /* 按下按键 */
/* 上报按键值 */
input_report_key(inputdev, KEY_0, 1); /* 最后一个参数 1， 按下 */
input_sync(inputdev); /* 同步事件 */
} else { /* 按键松开 */
input_report_key(inputdev, KEY_0, 0); /* 最后一个参数 0， 松开 */
input_sync(inputdev); /* 同步事件 */
}
}
-
第 6 行，获取按键值，判断按键是否按下。
-
第 9~10 行，如果按键值为 0 那么表示按键被按下了，如果按键按下的话就要使用input_report_key 函数向 Linux 系统上报按键值，比如向 Linux 系统通知 KEY_0 这个按键按下了。
-
第 12~13 行，如果按键值为 1 的话就表示按键没有按下，是松开的。向 Linux 系统通知KEY_0 这个按键没有按下或松开了。
三、input_event 结构体
Linux 内核使用 input_event 这个结构体来表示所有的输入事件， input_envent 结构体定义在include/uapi/linux/input.h 文件中，结构体内容如下：
struct input_event {
#if (__BITS_PER_LONG != 32 || !defined(__USE_TIME_BITS64)) && !defined(__KERNEL__)
struct timeval time;
#define input_event_sec time.tv_sec
#define input_event_usec time.tv_usec
#else
__kernel_ulong_t __sec;
#if defined(__sparc__) && defined(__arch64__)
unsigned int __usec;
unsigned int __pad;
#else
__kernel_ulong_t __usec;
#endif
#define input_event_sec __sec
#define input_event_usec __usec
#endif
__u16 type;
__u16 code;
__s32 value;
};
依次来看一下 input_event 结构体中的各个成员变量： time：时间，也就是此事件发生的时间，为 timeval 结构体类型， timeval 结构体定义如下：
typedef long __kernel_long_t;
typedef __kernel_long_t __kernel_time_t;
typedef __kernel_long_t __kernel_suseconds_t;
struct timeval {
__kernel_time_t tv_sec; /* 秒 */
__kernel_suseconds_t tv_usec; /* 微秒 */
};
从上面可以看出， tv_sec 和 tv_usec 这两个成员变量都为 long 类型，也就是 32位，这个一定要记住，后面我们分析 event 事件上报数据的时候要用到。
-
type： 事件类型，比如 EV_KEY，表示此次事件为按键事件，此成员变量为 16 位。
-
code： 事件码，比如在 EV_KEY 事件中 code 就表示具体的按键码，如： KEY_0、 KEY_1等等这些按键。此成员变量为 16 位。
-
value： 值，比如 EV_KEY 事件中 value 就是按键值，表示按键有没有被按下，如果为 1 的话说明按键按下，如果为 0 的话说明按键没有被按下或者按键松开了。
input_envent 这个结构体非常重要，因为所有的输入设备最终都是按照 input_event 结构体呈现给用户的，用户应用程序可以通过 input_event 来获取到具体的输入事件或相关的值，比如按键值等。关于 input 子系统就讲解到这里，x下一章以开发板上的 KEY0 按键为例，讲解一下如何编写 input 驱动。
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