《驱动学习 - 输入子系统》
1.输入子系统概念介绍
内核的输入子系统是对分散的、多种不同类别的输入设备（如键盘、鼠标、跟踪球、触摸屏、加速计和手写板等）进行统一处理的驱动程序。
linux输入子系统（linux input subsystem）从上到下由三层实现，分别为：输入子系统事件处理层（EventHandler）、输入子系统核心层（InputCore）和输入子系统设备驱动层。
- 设备驱动层：主要实现对硬件设备的读写访问，中断设置，并把硬件产生的事件转换为核心层定义的规范提交给事件处理层。
- 核心层：为设备驱动层提供了规范和接口。设备驱动层只要关心如何驱动硬件并获得硬件数据（例如按下的按键数据），然后调用核心层提供的接口，核心层会自动把数据提交给事件处理层。
- 事件处理层：则是用户编程的接口（设备节点），并处理驱动层提交的数据处理。
以前我们的驱动程序打开了一个特定的设备文件“/dev/buttons”。而一般写的应用程序不会去打开这个“/dev/buttons”。一般打开的都是原有的文件，如“ dev/tty* ” ,还有可能是不需要打开什么tty，而 是直接“scanf()”就去获得了按键的输入。以前写的那些驱动程序只能自已使用而非通用。要写一个通用的驱动程序，让其他应用程序“无缝”的使用， 就是说不需要修改人家的应用程序。这需要使用现成的驱动，把自已的设备相关的驱动放到内核中这种驱动架构中去。这个现成的驱动就是“输入子系统--input子系统”。
输入子系统的优点：
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、不论是PS/2、USB还是蓝牙，都做同样处理。
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。你的驱动程序不必创建、管理/dev节点以及相关的访问方法，因此它能很方便地调用输入API以发送鼠标移动、键盘按键或触摸事件给用户空间。
3.抽取出了输入驱动程序的通用部分，简化了驱动程序，并引入了一致性。例如，输入子系统提供了一个底层驱动程序(称为serio)的集合，支持对串行端口和键盘控制器等硬件输入设备的访问。
2.输入子系统框架
2.1.系统核心层（对应图中的input core 层）
- 注册主设备号
- 对于系统调用经过虚拟文件系统进入的open函数进行第一层处理，并通过次设备号选择handler进入第二层open，也就是真正的open所在的file_operation,并返回该file_opration的fd
- 提供input_register_device跟input_register_handler函数分别用于注册device跟handler
2.2.handler层（对应图中的Event handler 层）
device是纯硬件操作层，包含不同的硬件接口处理，如gpio等
对于每种不同的具体硬件操作，都对应着不同的input_dev结构体
该结构体内部也包含着一个h_list
3.输入子系统源码解析
subsys_initcall(input_init); //修饰入口函数 module_exit(input_exit); //修饰出口函数
通过以上两个函数，可以看出：输入子系统其实也是一个驱动程序。先来分析一下input_init这个入口函数。
1 static int __init input_init(void) 2 { 3 int err; 4 5 input_init_abs_bypass(); 6 7 err = class_register(&input_class); //注册类,放在/sys/class 8 if (err) { 9 printk(KERN_ERR "input: unable to register input_dev class\n"); 10 return err; 11 } 12 13 err = input_proc_init(); //在/proc下面建立相关的文件 14 if (err) 15 goto fail1; 16 17 err = register_chrdev(INPUT_MAJOR, "input", &input_fops); //向内核注册驱动 18 if (err) { 19 printk(KERN_ERR "input: unable to register char major %d", INPUT_MAJOR); 20 goto fail2; 21 } 22 23 return 0; 24 25 fail2: input_proc_exit(); 26 fail1: class_unregister(&input_class); 27 return err; 28 }
err = class_register(&input_class)，这个函数是在/sys/class里创建了一个叫“input”的类。
如下图,我们启动内核,再启动一个input子系统的驱动后，也可以看到创建了个"input"类 :
注意：这里只创建类，并没用使用class_create()创建设备节点。这里简单描述:当注册input子系统的驱动后，才会有驱动设备，此时这里的代码是没有驱动的。（后面需要补充）
err = register_chrdev(INPUT_MAJOR, "input", &input_fops)，创建INPUT_MAJOR=13即主设备号为13的“input”设备。并且向内核注册了file_operations结构体类型的变量input_fops。
可以看到在file_operations中就定义了一个.open = input_open_file。接下里分析一下这个函数。
static int input_open_file(struct inode *inode, struct file *file) { struct input_handler *handler; const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL; int err; lock_kernel(); /* No load-on-demand here? */ handler = input_table[iminor(inode) >> 5]; if (!handler || !(new_fops = fops_get(handler->fops))) { err = -ENODEV; goto out; } /* * That's _really_ odd. Usually NULL ->open means "nothing special", * not "no device". Oh, well... */ if (!new_fops->open) { fops_put(new_fops); err = -ENODEV; goto out; } old_fops = file->f_op; file->f_op = new_fops; err = new_fops->open(inode, file); if (err) { fops_put(file->f_op); file->f_op = fops_get(old_fops); } fops_put(old_fops); out: unlock_kernel(); return err; }
handler = input_table[iminor(inode) >> 5]:其中iminor (inode)函数调用了MINOR(inode->i_rdev);读取子设备号,然后将子设备除以32,找到新挂载的input驱动的数组号,然后放在input_handler 驱动处理函数handler中。
if (!handler || !(new_fops = fops_get(handler->fops))):若handler有值,说明挂载有这个驱动,就将handler结构体里的成员file_operations * fops赋到新的file_operations *new_fops里面。
file->f_op = new_fops：再将新的file_operations *new_fops赋到file-> file_operations *f_op里, 此时input子系统的file_operations就等于新挂载的input驱动的file_operations结构体。
err = new_fops->open(inode, file)：然后调用新挂载的input驱动的*new_fops里面的成员.open函数。
总结：input_open_file函数就是一个输入子系统得统一接口，应用程序只需要通过调用这个接口。input_open_file函数就会根据传递里面得设备号获取次设备号，找到该设备对应得file_operations，去执行该设备驱动得open函数。
接下来就来分析一下input_table[ ]是怎么被赋值得。
在input.c函数(drivers/input/input.c)中搜索input_table,找到它在input_register_handler()函数中被赋值,代码如下:
int input_register_handler(struct input_handler *handler) { ... ... input_table[handler->minor >> 5] = handler; //input_table[]被赋值 ... ... list_add_tail(&handler->node, &input_handler_list); //然后将这个input_handler放到input_handler_list链表中 ... ... }
就是将驱动处理程序input_handler注册到input_table[]中，然后放在input_handler_list链表中,后面会讲这个链表。
继续来搜索input_register_handler,看看这个函数被谁来调用。
如下图所示,有evdev.c(事件设备)，joydev.c(joystick操作杆设备)，keyboard.c(键盘设备)，mousedev.c(鼠标设备)
我们以evdev.c为例,它在evdev_ini()函数中注册
static int __init evdev_init(void) { return input_register_handler(&evdev_handler); }
我们来看看这个evdev_handler变量是什么结构体,
static struct input_handler evdev_handler = { .event = evdev_event, .connect = evdev_connect, .disconnect = evdev_disconnect, .fops = &evdev_fops, .minor = EVDEV_MINOR_BASE, .name = "evdev", .id_table = evdev_ids, };
.fops:文件操作结构体,其中evdev_fops函数就是自己的写的操作函数,然后赋到.fops中。
.id_table : 表示能支持哪些输入设备，比如某个驱动设备的input_dev->的id和某个input_handler的id_table相匹配，就会调用.connect连接函数,如下图
.minor:用来存放次设备号。
其中EVDEV_MINOR_BASE=64, 然后调用input_register_handler(&evdev_handler)后,由于EVDEV_MINOR_BASE/32=2,所以存到input_table[2]中
所以当open打开这个input设备,就会进入 input_open_file()函数,执行evdev_handler-> evdev_fops -> .open函数,如下图所示:
static struct input_handler evdev_handler = { .event = evdev_event, .connect = evdev_connect, .disconnect = evdev_disconnect, .fops = &evdev_fops, .minor = EVDEV_MINOR_BASE, .name = "evdev", .id_table = evdev_ids, };
.connect:连接函数，将设备input_dev和某个input_handler建立连接,如下图
我们先来看看上图的input_register_device()函数,如何创建驱动设备的。
查看一下可以看到很多地方都调用了这个函数，说明内核自己也注册了很多设备。
int input_register_device(struct input_dev *dev) //*dev:要注册的驱动设备 { ... ... list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list); //(1)放入链表中 ... ... list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node) //(2) input_attach_handler(dev, handler); ... ... }
list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list)将要注册的input_dev驱动设备放在input_dev_list链表中。
list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node)其中input_handler_list在前面讲过,就是存放每个input_handle驱动处理结构体,然后list_for_each_entry()函数会将每个input_handle从链表中取出,放到handler中，最后会调用input_attach_handler()函数,将每个input_handle的id_table进行判断,若两者支持便进行连接。
然后我们在回过头来看注册input_handler的input_register_handler()函数,如下图所示
所以,不管新添加input_dev还是input_handler,都会进入input_attach_handler()判断两者id是否有支持, 若两者支持便进行连接。
我们来看看input_attach_handler()如何实现匹配两者id的:
static int input_attach_handler(struct input_dev *dev, struct input_handler *handler) { ... ... id = input_match_device(handler->id_table, dev); //匹配两者 if (!id) //若不匹配,return退出 return -ENODEV; error = handler->connect(handler, dev, id); //调用input_handler ->connect函数建立连接 ... ... }
若两者匹配成功，就会自动进入input_handler 的connect函数建立连接。
我们还是以evdev.c(事件驱动) 的evdev_handler->connect函数来分析是怎样建立连接的
evdev_handler的.connect函数是evdev_connect(),代码如下:
static int evdev_connect(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev, const struct input_device_id *id) { ... ... for (minor = 0; minor < EVDEV_MINORS && evdev_table[minor]; minor++); //查找驱动设备的子设备号 if (minor == EVDEV_MINORS) { // EVDEV_MINORS=32,所以该事件下的驱动设备最多存32个, printk(KERN_ERR "evdev: no more free evdev devices\n"); return -ENFILE; //没找到驱动设备 } ... ... evdev = kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL); //分配一个input_handle全局结构体(没有r) ... ... evdev->handle.dev = dev; //指向参数input_dev驱动设备 evdev->handle.name = evdev->name; evdev->handle.handler = handler; //指向参数 input_handler驱动处理结构体 evdev->handle.private = evdev; sprintf(evdev->name, "event%d", minor); //(1)保存驱动设备名字, event%d ... ... devt = MKDEV(INPUT_MAJOR, EVDEV_MINOR_BASE + minor), //(2) 将主设备号和次设备号转换成dev_t类型 cdev = class_device_create(&input_class, &dev->cdev, devt,dev->cdev.dev, evdev->name); // (3)在input类下创建驱动设备 ... ... error = input_register_handle(&evdev->handle); //(4)注册这个input_handle结构体 ... ... }
(1) 是在保存驱动设备名字,名为event%d, 比如下图(键盘驱动)event1: 因为没有设置子设备号，默认从小到大排列,其中event0是表示这个input子系统,所以这个键盘驱动名字就是event1。
(2)是在保存驱动设备的主次设备号,其中主设备号INPUT_MAJOR=13,因为EVDEV_MINOR_BASE=64,所以此设备号=64+驱动程序本事子设备号, 比如下图(键盘驱动)event1: 主次设备号就是13,65
(3)在之前在开头就分析了input_class类结构，所以cdev = class_device_create(&input_class, &dev->cdev, devt,dev->cdev.dev, evdev->name);会在/sys/class/input类下创建驱动设备event%d，比如下图(键盘驱动)event1:
(4)最终会进入input_register_handle()函数来注册,代码在下面
int input_register_handle(struct input_handle *handle) { struct input_handler *handler = handle->handler; //handler= input_handler驱动处理结构体 list_add_tail(&handle->d_node, &handle->dev->h_list); //(1) list_add_tail(&handle->h_node, &handler->h_list); // (2) if (handler->start) handler->start(handle); return 0; }
(1)因为handle->dev指向input_dev驱动设备,所以就是将handle->d_node放入到input_dev驱动设备的h_list链表中,即input_dev驱动设备的h_list链表就指向handle->d_node。
(2) 同样, input_handler驱动处理结构体的h_list也指向了handle->h_node。最终如下图所示:
两者的.h_list都指向了同一个handle结构体，然后通过.h_list 来找到handle的成员.dev和handler,便能找到对方,便建立了连接。
建立了连接后，又如何读取evdev.c(事件驱动) 的evdev_handler->.fops->.read函数？
事件驱动的.read函数是evdev_read()函数,我们来分析下:
static ssize_t evdev_read(struct file *file, char __user * buffer, size_t count, loff_t *ppos) { ... ... /*判断应用层要读取的数据是否正确*/ if (count < evdev_event_size()) return -EINVAL; /*在非阻塞操作情况下,若client->head == client->tail|| evdev->exist时(没有数据),则return返回*/ if (client->head == client->tail && evdev->exist && (file->f_flags & O_NONBLOCK)) return -EAGAIN; /*若client->head == client->tail|| evdev->exist时(没有数据),等待中断进入睡眠状态 */ retval = wait_event_interruptible(evdev->wait,client->head != client->tail || !evdev->exist); ... ... //上传数据 }
若read函数进入了休眠状态，又是谁来唤醒？
我们搜索这个evdev->wait这个等待队列变量,找到evdev_event函数里唤醒:
static void evdev_event(struct input_handle *handle, unsigned int type, unsigned int code, int value) { ... ... wake_up_interruptible(&evdev->wait); //有事件触发，便唤醒等待中断 }
其中evdev_event()是evdev.c(事件驱动) 的evdev_handler->.event成员,如下图所示:
当有事件发生了,比如对于按键驱动,当有按键按下时,就会进入.event函数中处理事件。
分析下,是谁调用evdev_event()这个.event事件驱动函数
应该就是之前分析的input_dev那层调用的
我们来看看内核 gpio_keys_isr()函数代码例子就知道了 (driver/input/keyboard/gpio_key.c)
static irqreturn_t gpio_keys_isr(int irq, void *dev_id) { /*获取按键值,赋到state里*/ ... ... /*上报事件*/ input_event(input, type, button->code, !!state); input_sync(input); //同步信号通知,表示事件发送完毕 }
显然就是通过input_event()来调用.event事件函数,我们来看看:
void input_event(struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value) { struct input_handle *handle; ... ... /* 通过input_dev ->h_list链表找到input_handle驱动处理结构体*/ list_for_each_entry(handle, &dev->h_list, d_node) if (handle->open) //如果input_handle之前open 过,那么这个就是我们的驱动处理结构体 handle->handler->event(handle, type, code, value); //调用evdev_event()的.event事件函数 }
若之前驱动input_dev和处理input_handler已经通过input_handler 的.connect函数建立起了连接,那么就调用evdev_event()的.event事件函数，如下图所示:
3.总结
1.注册输入子系统,进入put_init():
1)创建主设备号为13的"input"字符设备
err = register_chrdev(INPUT_MAJOR, "input", &input_fops);
2.open打开驱动,进入input_open_file():
1)更新设备的file_oprations
file->f_op=fops_get(handler->fops);
2)执行file_oprations->open函数
err = new_fops->open(inode, file);
3.注册input_handler,进入input_register_handler():
1)添加到input_table[]处理数组中
input_table[handler->minor >> 5] = handler;
2）添加到input_handler_list链表中
list_add_tail(&handler->node, &input_handler_list);
3)判断input_dev的id,是否有支持这个驱动的设备
list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node) //遍历查找input_dev_list链表里所有input_dev input_attach_handler(dev, handler); //判断两者id,若两者支持便进行连接。
4.注册input_dev，进入input_register_device():
1)放在input_dev_list链表中
list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list);
2)判断input_handler的id，是否有支持这个设备的驱动
list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node) //遍历查找input_handler_list链表里所有input_handler input_attach_handler(dev, handler); //判断两者id,若两者支持便进行连接。
5.判断input_handler和input_dev的id,进入input_attach_handler():
1）匹配两者id,
input_match_device(handler->id_table, dev); //匹配input_handler和dev的id,不成功退出函数
2)匹配成功调用input_handler ->connect
handler->connect(handler, dev, id); //建立连接
6.建立input_handler和input_dev的连接，进入input_handler->connect():
1)创建全局结构体,通过input_handle结构体连接双方
evdev = kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL); //创建两者连接的input_handle全局结构体 list_add_tail(&handle->d_node, &handle->dev->h_list); //连接input_dev->h_list list_add_tail(&handle->h_node, &handler->h_list); // 连接input_handle->h_list
7.有事件发生时,比如按键中断,在中断函数中需要进入input_event()上报事件:
1)找到驱动处理结构体，然后执行input_handler->event()
list_for_each_entry(handle, &dev->h_list, d_node) // 通过input_dev ->h_list链表找到input_handle驱动处理结构体 if (handle->open) //如果input_handle之前open 过,那么这个就是我们的驱动处理结构体(有可能一个驱动设备在不同情况下有不同的驱动处理方式) handle->handler->event(handle, type, code, value); //调用evdev_event()的.event事件函数
