Linux inpu子系统简介

Posted 2020-09-14 HZero

1.前言

本文主要对Linux下的input子系统进行介绍

2. 软件架构

 

图 input子系统结构图

input子系统主要包括三个部分：设备驱动层、核心层和事件层。我们可以分别理解为：具体的输入设备、过度设备和逻辑设备。对于用户空间来说与之直接交互的只有逻辑设备也就是事件层。

Input子系统主要包含两条路径（主要讲述第一条路径）：

• 第一条路径

设备驱动层捕获事件并向核心层报告->核心层将事件交由事件层处理->用户空间读取事件层处理的数据

• 第二条路径

用户空间写入事件数据->事件层生成事件->调用核心层传递事件信息给驱动层->设备驱动层驱动硬件设备

 3.系统组件之间的关联

图 input_dev  input_handle  input_handler之间的关联

通常input_dev、 input_handle、input_handler三者的关系如上图所示。

• input_dev

input_dev通过node链接进全局链表input_dev_list中；通过h_list将与其关联的所有input_handle链接起来，这说明每个input_dev可能会有多个handle与其连接

• input_handler

input_handler通过node节点链接进全局链表input_handler_list中；通过h_list将与其关联的所有input_handle链接起来，这说明每个input_handler可能会有多个handle与其连接

 4. 系统组件

4.1 input_handle

 

Elemete Name	input_handle
Path	include/linux/input.h
Responsiblities	用于连接input_dev和input_handler,由input_handler创建
Attributions	private：void *类型，存放input handle的特有数据 open：open用来计数，指示这个handle是否被打开了 name：const char *类型，handler的名字，由handler在创建handle的时候指定 dev：struct input_dev *类型，与此handle关联的input_dev handler：struct input_handler *类型，handler通过handle与上面的input_dev一起work d_node：struct list_head类型，可以把此节点链到input_dev的h_list链表上，这说明一个input_dev可以与多个handle链接 h_node：struct list_head类型，可以将此节点链接到input_handler的h_list链表上，这说明一个input_handler可以与多个handle链接
Operations

4.2 input_dev

 

Elemete Name	input_dev
Path	include/linux/input.h
Responsiblities	代表一个input设备，如按键设备、触摸屏设备等
Attributions	name：const char *类型，input设备的名字 phys：const char *类型，/sys/目录下的文件节点名，如/sys/class/input/event0 uniq：const char *类型，设备的唯一标识码，需要设备支持 id：struct input_id类型，设备的ID，包括生产商，产品好，版本号 propbit： evbit：设备支持哪些事件 keybit：这个设备支持哪些按键和button relbit：设备的相对坐标，针对鼠标设备？ absbit：针对触摸屏设备？ mscbit：设备支持的杂项事件 ledbit：设备上的LED sndbit：设备的声音支持相关，如蜂鸣器等 ffbit：设备所支持的强反馈事件，如马达等 swbit：设备是否支持开关，如iphone上的静音开关 hint_events_per_packet：设备打包事件暗含的数目，一般发生在EV_SYN和SYN_REPORT之间的事件数目，input_handler需要据此预估buffer大小来存放事件 keycodemax：按键码表的大小，用来存放按键码，实际的按键码个数可能小于此 keycodesize：实际上存放在按键码表中的按键码数目 keycode：void *类型，扫描码到按键码的映射，对ADC按键扫描码可以理解为某个按键的ADC值，按键码有音量加，音量减等 setkeycode：函数指针 getkeycode：函数指针  ff：struct ff_device *类型 repeat_key：保存了上次按下的按键，用于软件自动重发 timer：struct timer_list 类型，软件重发的定时器，包括按键按下多长时间启动自动重发功能，每隔多长时间重发一次 rep：数组类型，用于自动重发的参数值保存 mt：struct input_mt *类型 absinfo： struct input_absinfo *类型 key：数组，反应当前key/button设备的状态，如按下还是抬起 led：数组，反映当前led的状态 snd：数组，反映snd的状态 sw：数组，反映开关的状态 open:函数指针，这个方法由第一个用户在调用input_open_device时被调用，驱动中此时需要已经开启 poll线程，并可以上报事件，其它用户调用时将只把user计数加1 close：函数指针，最后一个用户调用input_close_device时将调用此函数，驱动需要实现做一个善后工作 flush：函数指针 event：函数指针，主要用于input_handler接收用户层的操作事件，对input_dev进行操作，如对led和ff设备的操作 grab：struct input_handle __rcu *类型，一旦grab不为空，则说明此input_handle将成为此input_dev的唯一事件处理者 event_lock：spinlock_t类型，用于input core接收或处理此input_dev的事件 mutex：struct mutex 类型，用于保证open、close、flush方法的串行执行 users：input_handler执行input_open_device的次数 going_away：标示input_dev在执行unregister的过程中，此时执行input_open_device将失败 dev：struct device类型，设备驱动模型device h_list：struct list_head类型，用于链接此input_dev的所有input_handle node：struct list_head类型，用于将此input_dev加入到全局input_dev_list中 num_vals：当前队列中有多少个frame在排队，每个frame可以理解成EV_SYN和SYN_REPORT之间的事件 max_vals：一个frame中可以包含的最大事件个数？？？ vals：struct input_value *类型，入队到当前队列的数组？？？？ devres_managed：指示设备资源是否由设备资源框架进行管理
Operations

4.3 input_handler

 

Elemete Name	input_handler
Path	include/linux/input.h
Responsiblities	input_dev的逻辑表示，用于和用户空间交互，为input_dev实现一堆接口
Attributions	private：void *类型，私有数据 event：函数指针，event handler，事件处理主函数。会持有dev->event_lock spinlock,并关中断，因此不能进休眠 events：函数指针，事件顺序处理，同上不能睡眠 filter：函数指针 match：函数指针，对input_dev->id与input_handler->id_table进行匹配 connect：函数指针，当需要将一个input_device与一个input_handler进行连接的时候调用，调用的过程中会创建input_handle disconnect：从一个input_dev上断开与一个input_handler的连接 start：对于给定的handle start handlers,这个函数一般在connect被成功执行后进行调用 legacy_minors：是否使用遗留的minors范围 minor：遗留的minors范围的开始次设备号 name：const char *指针，handler的名字，在/proc/bus/input/handlers显示 id_table：const struct input_device_id *类型，id_table保存input_dev ids，指示这个handler可以处理哪些input_devices h_list：struct list_head类型，与此input_handler关联的input_handle将挂到h_list链表 node：struct list_head类型，通过node节点将此input_handler连接到全局input_handler_list链表
Operations

4.4 evdev

 

Elemete Name	evdev
Path	drivers/input/evdev.c
Responsiblities	Evdev是最上层代表 input设备的结构体，它代表一个字符设备，用户可以open ,close等等fop操作
Attributions	open：设备被打开的次数 handle：struct input_handle类型，此handle用于联系此handler和input device wait：wait_queue_head_t类型，等待队列，用于处理上报事件 grab：struct evdev_client __rcu *类型 client_list：struct list_head类型  client_lock：spinlock_t类型，protects client_list  mutex：struct mutex类型 dev：struct device 类型，evdev是代表设备，因此需要注册进设备驱动模型 cdev：struct cdev类型，此处表示input dev是一个字符设备，用户可以通过fops对其进行操作 exist：
Operations

 

4.5 evdev_client

 

Elemete Name	evdev_client
Path	drivers/input/evdev.c
Responsiblities	Evdev_client代表打开evdev设备的用户,用来管理input event buffer
Attributions	head： tail： packet_head：[future] position of the first element of next packet buffer_lock：spinlock_t类型，protects access to buffer, head and tail wake_lock：struct wake_lock类型 use_wake_lock：是否使用wake_lock name[28]： fasync：struct fasync_struct *类型 evdev：struct evdev *类型 node： struct list_head类型，用于与evdev链接，一个evdev可以有多个evdev_client clkid： bufsize： buffer[]：struct input_event 类型
Operations

5.关键流程

5.1 input_init

input_init->

       class_register(&input_class)

       input_proc_init()

       register_chrdev_region->

              __register_chrdev_region

主要完成了input子系统的注册（通过注册subsys->kobject）,同时创建字符设备char_device_struct，并将指针插入到全局哈希表chrdevs中

• class_register

class_register实际上是分配struct subsys_private并放到全局的kobject层级结构中。
我们知道内核中任何一个设备或类的实体的元模型就是kobject，任何一个设备或类都将其kobject放入到全局kobject层级结构中。
而kset可以理解为是kobject的容器,一个子系统与一个kset是对应的。
subsys_private是对kset的进一步封装，其中的成员变量struct kset subsys就代表子系统， 
class_register实际完成的工作就是将subsys->kobject放入到全局的kobject层级结构中，从而完成了子系统的注册。

•   input_proc_init

创建/proc/bus/input/devices和/proc/bus/input/handlers两个目录。

  cat /proc/bus/input/devices可以看到当前系统注册了哪些input设备；

  cat /proc/bus/input/handlers可以看到当前系统注册了哪些handlers

• register_chrdev_region(MKDEV(INPUT_MAJOR, 0),INPUT_MAX_CHAR_DEVICES, "input")

主要用来分配次设备号。从主设备号INPUT_MAJOR(13),次设备号0开始，注册INPUT_MAX_CHAR_DEVICES（1024）个设备，所有设备有一个共同的名字”input”。
核心是调用__register_chrdev_region，后者会对每一个字符设备分配一个char_device_struct结构体，并将结构体指针插入到全局chrdevs哈希表中。

 5.2  input_register_device

input_register_device->

       devres_alloc

       __set_bit(EV_SYN, dev->evbit)

       __clear_bit(KEY_RESERVED, dev->keybit)

       input_cleanse_bitmasks(dev)

       input_estimate_events_per_packet

       init_timer(&dev->timer)

       dev_set_name

       device_add

       kobject_get_path

       list_add_tail

       input_attach_handler->

             input_match_device

       input_wakeup_procfs_readers

input_register_device首先设置了相关的属性支持事件等，然后调用device_add将input_dev注册进设备驱动模型，同时连接进全局链表input_dev_list中,注册过程中会匹配handler,调用handler->connect,实际上handle的创建就是在connect 中完成的，后文会提到。

• devres_alloc

如果采用设备资源框架来分配则调用此函数分配input_dev，用此种方法分配的input_dev无需ungegister 或 free;

• __set_bit(EV_SYN, dev->evbit)

每个设备都支持EV_SYN事件；

• __clear_bit(KEY_RESERVED, dev->keybit)

KEY_RESERVED不支持发送给用户空间；

• input_cleanse_bitmasks(dev)

确保除了设置显示支持的事件以外，其它事件都被清空；

• input_estimate_events_per_packet

估算每个packet包含的事件长度，主要鼠标和触摸屏用到；

dev->max_vals = max(dev->hint_events_per_packet, packet_size) + 2;

dev->vals = kcalloc(dev->max_vals, sizeof(*dev->vals), GFP_KERNEL);

• init_timer(&dev->timer)

初始化自动重复发送定时器，定时器处理函数为input_repeat_key，默认按下超过250ms开启自动开启重复发送按键，每33ms发送一次；

• dev_set_name(&dev->dev, "input%ld", (unsigned long) atomic_inc_return(&input_no) - 1);

设置input设备的名字

• device_add

这个是 input设备注册的核心语句，完成向设备驱动模型的注册。

• kobject_get_path(&dev->dev.kobj, GFP_KERNEL)

获取sysfs中设备的节点路径

• list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list)

向全局input_dev_list加入此节点

• list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node)
• input_attach_handler(dev, handler);

从全局的input_handler_list遍历每个handler执行input_attach_handler,完成input_device和input_handler的连接，一旦匹配成功，将调用handler->connect函数

• wait_wakeup_procfs_readers

 5.3 input_register_handler

input_register_handler->

　　list_add_tail

　　input_attach_handler->

　　　　evdev_connect->

　　　　　　kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL)

　　　　　　init_waitqueue_head

　　　　　　dev_set_name(&evdev->dev, "event%d", dev_no)

　　　　　　device_initialize(&evdev->dev)

　　　　　　input_register_handle(&evdev->handle)

　　　　　　cdev_init

　　　　　　cdev_add

　　　　　　device_add

以evdev handler为例，在注册input_handler过程中一旦与input_dev匹配将通过handler->connect创建handle并注册之，同时connect将完成evdev的初始化，并为整个input子系统添加一个字符设备，evdev作为一个device还将通过devcie_add注册进设备驱动模型

 

• list_add_tail

将handler加入到全局input_handler_list链表中，便于遍历；

• list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node)
  • 　　input_attach_handler(dev, handler);

对input_dev_list全局input_dev链表遍历，建立input_dev与input_handler的关联。实际上input_match_device匹配成功，会handler->connect来创建对应的handle

• evdev_connect

（1）kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL)分配一个evdev结构体；

（2）init_waitqueue_head(&evdev->wait);初始化等待队列；

（3）dev_set_name(&evdev->dev, "event%d", dev_no);设置evdev的名字

（4）初始化evdev->handle成员变量；

（5）device_initialize(&evdev->dev)，evdev是一个device，需要加入设备驱动模型，此处初始化device；

（6）input_register_handle(&evdev->handle)注册input_handle，见下文

（7）cdev_init(&evdev->cdev, &evdev_fops)初始化evdev->cdev字符设备的fos为evdev_fops

（8）cdev_add(&evdev->cdev, evdev->dev.devt, 1)将cdev设备注册进系统，此处可以看出整个input子系统只注册一个字符设备。

5.4   input_handle_register

input_handle注册，主要将handle->d_node连入对应的input_dev->h_list链表；主要将handle->d_node连入对应的input_handler->h_list链表；

5.5 evdev_open

evdev_open->

       evdev_compute_buffer_size

       kzalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN)

       evdev_attach_client

       evdev_open_device

• evdev_compute_buffer_size

计算需要分配的存放事件的buffer大小

• kzalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN)

创建evdev_client代表有一个用户打开了此设备。

• evdev_attach_client

建立evdev_client与evdev的关联 

• evdev_open_device(evdev)

增加open的引用计数，调用input_open_device (&evdev->handle)，后者最终会调用input_dev->open函数

5.6 evdev_read

evdev_read->

       evdev_fetch_next_event

       input_event_to_user

       wait_event_interruptible

•  evdev_fetch_next_event

for循环中通过此函数来从evdev_client->buffer取出一个input_event 

• input_event_to_user

将input event解析完后发送给user buffer; 

• wait_event_interruptible

如果file->f_flags定义为非O_NONBLOCK则代表是阻塞，如果buffer里面没有数据则会在此处阻塞等待，直到有数据将其唤醒（可参照后面的解释）

 

 

5.7 input_event

input_event->

       input_handle_event->

              input_pass_values->

                     input_to_handler->

                            handler->event, evdev_event->

                                   evdev_events->

                                          evdev_pass_values->

                                                 __pass_event

                                                 wake_up_interruptible

 

input_event会在input_report_key等被调用，不同的事件会进行不同的封装。此函数最终将input event上报存放在evdev_client的buffer里面供用户层取用，如果定义为阻塞，则此处需要唤醒阻塞的读。

5.8.    evdev_write

evdev_write->

       input_event_from_user

              input_inject_event->

                     input_handle_event

 

• input_event_from_user

将用户空间数据拷贝到evdev_client->buffer中； 

• input_inject_event

将根据事件方向调用input_handle_event进行写入，应用场景可以是震动马达，LED灯点亮等