Linux輸入子系統分析一

Linux輸入子系統分析一

爲什麼要引入input子系統？

輸入設備分散不堪，用input子系統可以對分散的，不同類別的輸入設備進行統一驅動。
好處：
1. 統一了物理形態各異的輸入設備相似的設備處理，例如各種鼠標，鍵盤，觸摸屏。
2. 提供了用於分發輸入報告給用戶應用程序的簡單事件接口。你的驅動不必創建管理/dev節點以及相關的訪問方法。因此他能夠很方便的調用輸入API以發送鼠標移動，鍵盤按鍵或者觸摸事件給用戶空間。
3. 抽取出了輸入驅動的通用部分，簡化了驅動，並提供一致性。例如：輸入子系統提供了一個底層驅動的集合，支持對串口和鍵盤控制器等硬件輸入的訪問。

input子系統框架結構

* 從上層到底層開始分析：

從上層到底層開始分析：

設備節點：

/dev/input、目錄下面顯示的是已經註冊在內核中的設備編程接口。用戶通過open這些設備文件，來打開不同的輸入設備進行硬件操作。

handler事件處理層（純軟件層，不涉及硬件）

1. .描述：與用戶空間交互。爲不同硬件類型提供了用戶訪問以及處理接口。例如：當我們打開設備/dev/input/mice時，會調用到事件處理層的Mouse Handler來處理輸入事件，這也使得驅動層無需關心設備文件的操作，因爲Mouse Handler已經有了對應事件的處理方法。

2. 主要功能：
   包含不同的解決方案，例如鍵盤，鼠標，觸摸屏等。對於不同的解決方案，都有一個input_handler的結構體。主要成員如下：
   .id_table： 一個存放該handler所支持的設備id的表（其實內部存放的是EV_xxx事件，用於判斷device是否支持該事件）
   .fops： 該handler的file_operation
   .connect： 連接該handler和所支持的device的函數
   .disconnect： 斷開該連接
   .event： 事件處理函數，讓device調用
   h_list： 一個鏈表，該鏈表保存着handler到所支持的所有device的中間站：即handler結構體的指針

input core核心層

1. 描述：承上啓下。爲驅動層提供輸入設備的註冊和操作接口。由內核代碼drivers/input/input.c構成，他的存在屏蔽了用戶到驅動的交互細節，爲設備驅動層和事件處理層提供了相互通信的界面。

2. 主要功能：

   • 註冊設備號
   • 對於swi進入的open函數進行第一層處理，並通過次設備號選擇handler進入第二層open，也就是真正的open所在的file_operation，並返回file_operation的fd
   • 提供input_register_device和input_register_handler函數分別用於註冊device和handler

device驅動層（純硬件）

1. 描述：將底層硬件的輸入轉化爲統一事件形式，向核心層彙報。純硬件操作，包含不同的硬件接口處理，如gpio等

2. 主要功能：對於不同的具體硬件操作，都對應着一個不同的input_device結構體
   也包含一個h_list鏈表

handler和device

對於handler和device，分別用鏈表input_handler_list和input_device_list進行維護。
當handler或者device減少的時候，分別往這兩個鏈表進行增加或刪除節點。

input子系統調用過程分析

1. 當外部應用程序需要調用子系統的open函數時，會先通過主設備號進入到核心層，然後通過次設備號進入handler層，再調用.fops內的open函數返回fd
2. 當外部應用程序需要調用子系統的read函數時，會通過返回的fd調用.fops內的read函數，然後休眠，等待被.event函數喚醒
3. 當外部中斷到達的時候，會先確定中斷事件，然後調用input_event上報事件，再通過h_list裏面的所有handle調用對應的handler中的.event函數，對read進行喚醒，然後在read中返回，也就是當device有多個對應的handler的時候，input_event會向所有的handler上報事件
4. 當需要加入新的handler時，需要先構建handler結構體，然後調用註冊函數input_register_handler對該handler進行註冊
   input_register_handler內部實現：往input_handler_list加入新增的handler結點，然後對input_device_list的所有結點，也就是對所有的device進行遍歷。通過.id_table查看該device是否支持該handler。對於支持該handler的device就調用.connecet逐一構建input_handler結構體，連接handler和device
5. 當需要加入新的device時，需要先構建input_dev結構體，然後調用註冊函數input_register_device對該input_dev進行註冊
   input_register_device內部實現：往input_device_list加入新增的device結點，然後對input_handler_list的所有結點，也就是對所有的handler進行遍歷，通過handler的.id_table查看該handler是否支持device。對於支持該device的handler就調用.connect逐一構建input_handler結構體，連接handler和device

輸入設備開發步驟

1. 在驅動加載模塊中，設置你的input設備支持的事件類型。
2. 註冊中斷處理函數。例如：鍵盤設備需要編寫鍵盤的擡起，放下。觸摸屏設備需要編寫按下，擡起，絕對移動。鼠標設備需要編寫單擊，擡起，相對移動，並且需要在必要的時候提交硬件數據。比如：鍵值，座標，狀態等。
3. 將輸入設備註冊到輸入子系統中。

數據結構分析

input_dev

struct input_dev
{
     void *private；     //輸入設備私有指針，一般指向用於描述設備驅動層的設備結構
     const char *name;     //輸入設備名稱
     const char *phys;     //設備節點名稱
     const char *uniq;     //指定唯一的ID號，就像MAC地址一樣
     struct input_id id;     //用於匹配事件處理層handler，標識設備驅動特徵。包含總線類型，生產廠商，產品類型，版本
     unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)];     //用來記錄支持事件類型的位圖，設置方式：dev->evbit[0] = BIT(EV_SYN) | BIT(EV_KEY) | BIT(EV_ABS)
     unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)];     //用來記錄支持的按鍵值的位圖
     unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)];     //用來記錄支持的相對座標的位圖
     unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)];     //用來記錄支持的絕對座標的位圖（觸摸屏）,設置方法：input_set_abs_params
     unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)];   //其他功能
     unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)];   //led
     unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];   //beep
     unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)];   //作用力功能
     unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];   //開關功能
     unsigned int keycodemax;     //支持的按鍵值的個數
     unsigned int keycodesize;        //每個鍵值的字節數
     void *keycode;          //指向按鍵池，存儲按鍵值的數組首地址
     int (*setkeycode)(struct input_dev *dev, int scancode, int keycode);     //修改鍵值的函數，可選
     int (*getkeycode)(struct input_dev *dev, int scancode, int keycode);     //獲取掃描碼鍵值的函數，可選
     struct ff_device *ff;          //用於強制更新輸入設備的部分內容
     unsigned int repeat_key;     //最近一次按鍵值，用於連擊
     struct timer_list timer;     //自動連擊計時器
     int state;     //設備狀態
     int sync;     //最後一次同步後沒有新的事件置1，如果是1說明事件同步完成
     int abs[ABS_MAX + 1];     //當前各個座標的值
     int rep[REP_MAX + 1];     //自動連擊的參數
     unsigned long key[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)];     //反應當前按鍵狀態的位圖
      unsigned long led[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)];   //反應當前led狀態的位圖
      unsigned long snd[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];   //反應當前beep狀態的位圖
     unsigned long sw[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];  
      int absmax[ABS_MAX + 1];     //當前各個座標的最大值
      int absmin[ABS_MAX + 1];     //當前各個座標的最小值
      int absfuzz[ABS_MAX + 1];     //當前各個座標的分辨率
      int absflat[ABS_MAX + 1];     //當前各個座標的基準值
     int (*open)(struct input_dev *dev);     //打開函數
      int (*close)(struct input_dev *dev);     //關閉函數
      int (*flush)(struct input_dev *dev， struct file *file);     //斷開連接時沖刷數據
      int (*event)(struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value);     //事件處理，回調函數，可選
     struct input_handle *grab;     //類似私有指針，可以直接訪問到事件處理接口event
     spinlock_t event_lock;
     struct mutex mutex;     //用於open，close函數的連續訪問互斥
     unsigned int users;     //設備使用計數
     int going_away;
     struct device dev;     //設備結構體
     struct list_head h_list;     //handle鏈表
     struct list_head node;     //input_dev鏈表
}；

input_handler：事件處理器的數據結構，代表一個事件處理器

• 幾個操作函數

  1. void(*event)(struct input_handler *handle, unsigned int type, unsigned int code, int value);//事件處理器接收到來自input設備的事件時調用，負責處理事件
  2. int (*connect)(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev, const struct input_device_id *id);//當一個input設備模塊註冊到內核的時候調用，將事件處理器與輸入設備聯繫起來
  3. void (*disconnect)(struct input_handle *hanlde);//與connect相反
  4. void (*start)(struct input_handle *handle);

• 兩個ID

  1. const struct input_device_id *id_table;//事件處理器支持的input設備
  2. const struct input_device_id *blacklist;//事件處理器忽略的input設備

• 兩個鏈表
  struct list_head h_list;//用來鏈接他所支持的input_handle結構，input_dev和input_handler配對之後會生成一個input_handle結構
  struct list_head node;//鏈接了所有註冊到內核的事件處理器，鏈接到input_handler_list

input_handle：代表一個配對成功的input_dev和input_handler

struct input_handle
{
     void *private;//每個配對的事件處理器都會分配一個對應的設備結構，如evdev事件處理器evdev結構，注意這個結果和設備驅動層的input_dev不同。初始化handle時，保存到這裏
     int open;//打開標誌，每個input_handle打開後才能操作，一般通過事件處理器的open方法間接設置
     const char *name;
     struct input_dev *dev;//關聯的input_dev結構
     struct input_handler *handler;//關聯的input_handler結構
     struct list_head d_node;//input_handle通過d_node連接到input_dev的h_list鏈表
     struct list_head h_node;//input_handle通過h_node連接到input_handler的h_list鏈表
};

三個結構體之間的關係

• input_dev是硬件驅動層，代表一個input設備。通過全局的input_dev_list連接到一起，設備註冊的時候實現這個操作
• input_handler是事件處理層，代表一個事件處理器。通過全局的input_handler_list連接到一起，事件處理器註冊的時候實現這個操作（事件處理器不需要我們寫）
• input_handle屬於核心層，代表配對的input設備和input事件處理器。沒有全局鏈表，他註冊的時候把自己分別掛在了input_dev和input_handler的h_list上
• 小結：通過input_dev和input_handler就可以找到input_handle在設備註冊和事件處理器。註冊的時候都需要配對，配對之後就會實現鏈接。通過input_handle也可以找到input_dev和input_handler

補充結構體

• evdev設備結構體
  在配對成功的時候生成，由handler->connect生成，對應設備文件是/class/input/event(n)
  例如觸摸屏驅動的event0，這個設備是用戶空間要訪問的設備，因爲沒有對應的硬件可以理解爲他是一個虛擬設備。但是通過handle->dev就可以找到input_dev結構，而他對應着觸摸屏，設備文件爲/class/input/input0.這個設備結構體生成之後保存在evdev_table中，索引值是minor

struct evdev
{
     int exist;
     int open;//打開標誌
     int minor;//次設備號
     struct input_handle handle;//關聯的input_handle
     wait_queue_head_t wait;//等待隊列，當進程讀取設備，而沒有事件產生的時候，進程就會睡在上面
     struct evdev_client *grab;//強制綁定的evdev_client結構
     struct list_head client_list;//evdev_client鏈表，這說明一個evdev設備可以處理多個evdev_client，可以有多個進程訪問evdev設備
     spinlock_t client_lock;
     struct mutex mutex;
     struct device dev;//這是一個設備結構
};

• evdev用戶端結構
  這個結構在進程打開evdev0設備的時候調用evdev的open方法，在open中創建這個結構，並初始化。在關閉設備文件的時候釋放這個結構

struct evdev_client
{
     struct input_event buffer[EVDEV_BUFFER_SIZE];// input_event數據結構的數組， input_event代表一個事件，基本成員：類型type，編碼code，值value
     int head;//針對buffer數組的索引
     int tail;//針對buffer數組的索引，當head和tail相等的時候，說明沒有事件
     spinlock_t buffer_lock;//保護buffer的訪問
     struct fasync_struct *fasync;//異步通知函數
     struct evdev *evdev;//evdev設備
     struct list_head node;//evdev_client鏈表項
};