Linux INPUT 子系统实验

Posted 2021-12-11 行稳方能走远

目录

• input 子系统
• • input 子系统简
  • input 驱动编写流程
  • input_event 结构体
• 硬件原理图分析
• 实验程序编写
• • 修改设备树文件
  • 按键input 驱动程序编写
  • 编写测试APP
• 运行测试
• • 编译驱动程序和测试APP
  • 运行测试
• Linux 自带按键驱动程序的使用
• • 自带按键驱动程序源码简析
  • 自带按键驱动程序的使用

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。
本章我们就来学习一下Linux 内核中的input 子系统。

input 子系统

input 子系统简

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，我们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 子系统框架如图58.1.1.1 所示：

图58.1.1.1 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 子系统用到了我们前面讲解的驱动分层模型，我们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。

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：

1767 struct class input_class = {
1768 .name = "input",
1769 .devnode = input_devnode,
1770 };
......
2414 static int __init input_init(void)
2415 {
2416 int err;
2417
2418 err = class_register(&input_class);
2419 if (err) {
2420 pr_err("unable to register input_dev class\\n");
2421 return err;
2422 }
2423
2424 err = input_proc_init();
2425 if (err)
2426 goto fail1;
2427
2428 err = register_chrdev_region(MKDEV(INPUT_MAJOR, 0),
2429 INPUT_MAX_CHAR_DEVICES, "input");
2430 if (err) {
2431 pr_err("unable to register char major %d", INPUT_MAJOR);
2432 goto fail2;
2433 }
2434
2435 return 0;
2436
2437 fail2: input_proc_exit();
2438 fail1: class_unregister(&input_class);
2439 return err;
2440 }

第2418 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，如图58.1.2.1 所示：

第2428~2429 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：

#define INPUT_MAJOR 13

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)：

121 struct input_dev {
122 const char *name;
123 const char *phys;
124 const char *uniq;
125 struct input_id id;
126
127 unsigned long propbit[BITS_TO_LONGS(INPUT_PROP_CNT)];
128
129 unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)]; /* 事件类型的位图*/
130 unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)]; /* 按键值的位图*/
131 unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)]; /* 相对坐标的位图*/
132 unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)]; /* 绝对坐标的位图*/
133 unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)]; /* 杂项事件的位图*/
134 unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)]; /*LED相关的位图*/
135 unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];/* sound有关的位图*/
136 unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)]; /* 压力反馈的位图*/
137 unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)]; /*开关状态的位图*/
......
189 bool devres_managed;
190 };

第129 行，evbit 表示输入事件类型，可选的事件类型定义在include/uapi/linux/input.h 文件中，事件类型如下：

#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*/

比如本章我们要使用到按键，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58.1.2.2 中，第129 行~137 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.h 文件中，按键值如下：

215 #define KEY_RESERVED 0
216 #define KEY_ESC 1
217 #define KEY_1 2
218 #define KEY_2 3
219 #define KEY_3 4
220 #define KEY_4 5
221 #define KEY_5 6
222 #define KEY_6 7
223 #define KEY_7 8
224 #define KEY_8 9
225 #define KEY_9 10
226 #define KEY_0 11
......
794 #define BTN_TRIGGER_HAPPY39 0x2e6
795 #define BTN_TRIGGER_HAPPY40 0x2e7

我们可以将开发板上的按键值设置为示例代码58.1.2.4 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：

1 struct input_dev *inputdev; /* input结构体变量*/
2
3 /* 驱动入口函数*/
4 static int __init xxx_init(void)
5 {
6 ......
7 inputdev = input_allocate_device(); /* 申请input_dev */
8 inputdev->name = "test_inputdev"; /* 设置input_dev名字*/
9
10 /*********第一种设置事件和事件值的方法***********/
11 __set_bit(EV_KEY, inputdev->evbit); /* 设置产生按键事件*/
12 __set_bit(EV_REP, inputdev->evbit); /* 重复事件*/
13 __set_bit(KEY_0, inputdev->keybit); /*设置产生哪些按键值*/
14 /************************************************/
15
16 /*********第二种设置事件和事件值的方法***********/
17 keyinputdev.inputdev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) |
BIT_MASK(EV_REP);
18 keyinputdev.inputdev->keybit[BIT_WORD(KEY_0)] |=
BIT_MASK(KEY_0);
19 /************************************************/
20
21 /*********第三种设置事件和事件值的方法***********/
22 keyinputdev.inputdev->evbit[0] = BIT_MASK(EV_KEY) |
BIT_MASK(EV_REP);
23 input_set_capability(keyinputdev.inputdev, EV_KEY, KEY_0);
24 /************************************************/
25
26 /* 注册input_dev */
27 input_register_device(inputdev);
28 ......
29 return 0;
30 }
31
32 /* 驱动出口函数*/
33 static void __exit xxx_exit(void)
34 {
35 input_unregister_device(inputdev); /* 注销input_dev */
36 input_free_device(inputdev); /* 删除input_dev */
37 }

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
当我们向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，我们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，我们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，我们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);
}

从示例代码58.1.2.6 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：

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)
void input_report_ff_status(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
void input_report_switch(struct input_dev *dev, unsigned int code, int value)
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：

void input_sync(struct input_dev *dev)

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：

1 /* 用于按键消抖的定时器服务函数*/
2 void timer_function(unsigned long arg)
3 {
4 unsigned char value;
5
6 value = gpio_get_value(keydesc->gpio); /* 读取IO值*/
7 if(value == 0){ /* 按下按键*/
8 /* 上报按键值*/
9 input_report_key(inputdev, KEY_0, 1); /* 最后一个参数1，按下*/
10 input_sync(inputdev); /* 同步事件*/
11 } else { /* 按键松开*/
12 input_report_key(inputdev, KEY_0, 0); /* 最后一个参数0，松开*/
13 input_sync(inputdev); /* 同步事件*/
14 }
15 }

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。

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：

24 struct input_event {
25 struct timeval time;
26 __u16 type;
27 __u16 code;
28 __s32 value;
29 };

我们依次来看一下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：

1 typedef long __kernel_long_t;
2 typedef __kernel_long_t __kernel_time_t;
3 typedef __kernel_long_t __kernel_suseconds_t;
4
5 struct timeval {
6 __kernel_time_t tv_sec; /* 秒*/
7 __kernel_suseconds_t tv_usec; /* 微秒*/
8 };

从示例代码58.1.3.2 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，接下来我们就以开发板上的KEY0 按键为例，讲解一下如何编写input 驱动。

硬件原理图分析

本章实验硬件原理图参考15.2 小节即可。

实验程序编写

本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 20_input。

修改设备树文件

直接使用49.3.1 小节创建的key 节点即可。

按键input 驱动程序编写

新建名为“20_input”的文件夹，然后在20_input 文件夹里面创建vscode 工程，工作区命名为“keyinput”。工程创建好以后新建keyinput.c 文件，在keyinput.c 里面输入如下内容：

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <linux/cdev.h>
10 #include <linux/device.h>
11 #include <linux/of.h>
12 #include <linux/of_address.h>
13 #include <linux/of_gpio.h>
14 #include <linux/input.h>
15 #include <linux/semaphore.h>
16 #include <linux/timer.h>
17 #include <linux/of_irq.h>
18 #include <linux/irq.h>
19 #include <asm/mach/map.h>
20 #include <asm/uaccess.h>
21 #include <asm/io.h>
22 /***************************************************************
23 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
24 文件名: keyinput.c
25 作者: 左忠凯
26 版本: V1.0
27 描述: Linux按键input子系统实验
28 其他: 无
29 论坛: www.openedv.com
30 日志: 初版V1.0 2019/8/21 左忠凯创建
31 ***************************************************************/
32 #define KEYINPUT_CNT 1 /* 设备号个数*/
33 #define KEYINPUT_NAME "keyinput" /* 名字*/
34 #define KEY0VALUE 0X01 /* KEY0按键值*/
35 #define INVAKEY 0XFF /* 无效的按键值*/
36 #define KEY_NUM 1 /* 按键数量*/
37
38 /* 中断IO描述结构体*/
39 struct irq_keydesc {
40 int gpio; /* gpio */
41 int irqnum; /* 中断号*/
42 unsigned char value; /* 按键对应的键值*/
43 char name[10]; /* 名字*/
44 irqreturn_t (*handler)(int, void *); /* 中断服务函数*/
45 };
46
47 /* keyinput设备结构体*/
48 struct keyinput_dev{
49 dev_t devid; /* 设备号*/

keyinput.c 文件内容其实就是实验“13_irq”中的imx6uirq.c 文件中修改而来的，只是将其中与字符设备有关的内容进行了删除，加入了input_dev 相关的内容，我们简单来分析一下示例代码58.3.2.1 中的程序。

第57 行，在设备结构体中定义一个input_dev 指针变量。

第93~102 行，在按键消抖定时器处理函数中上报输入事件，也就是使用input_report_key函数上报按键事件以及按键值，最后使用input_sync 函数上报一个同步事件，这一步一定得做！

第156~180 行，使用input_allocate_device 函数申请input_dev，然后设置相应的事件以及事件码(也就是KEY 模拟成那个按键，这里我们设置为KEY_0)。最后使用input_register_device函数向Linux 内核注册input_dev。

第211~212 行，当注销input 设备驱动的时候使用input_unregister_device 函数注销掉前面注册的input_dev，最后使用input_free_device 函数释放掉前面申请的input_dev。

编写测试APP

新建keyinputApp.c 文件，然后在里面输入如下所示内容：

1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "sys/ioctl.h"
6 #include "fcntl.h"
7 #include "stdlib.h"
8 #include "string.h"
9 #include <poll.h>
10 #include <sys/select.h>
11 #include <sys/time.h>
12 #include <signal.h>
13 #include <fcntl.h>
14 #include <linux/input.h>
15 /***************************************************************
16 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
17 文件名: keyinputApp.c
18 作者: 左忠凯
19 版本: V1.0
20 描述: input子系统测试APP。
21 其他: 无
22 使用方法：./keyinputApp /dev/input/event1
23 论坛: www.openedv.com

第58.1.3 小节已经说过了，Linux 内核会使用input_event 结构体来表示输入事件，所以我们要获取按键输入信息，那么必须借助于input_event 结构体。第28 行定义了一个inputevent 变量，此变量为input_event 结构体类型。

第56 行，当我们向Linux 内核成功注册input_dev 设备以后，会在/dev/input 目录下生成一个名为“eventX(X=0….n)”的文件，这个/dev/input/eventX 就是对应的input 设备文件。我们读取这个文件就可以获取到输入事件信息，比如按键值什么的。使用read 函数读取输入设备文件，也就是/dev/input/eventX，读取到的数据按照input_event 结构体组织起来。获取到输入事件以后(input_event 结构体类型)使用switch case 语句来判断事件类型，本章实验我们设置的事件类型为EV_KEY，因此只需要处理EV_KEY 事件即可。比如获取按键编号(KEY_0 的编号为11)、获取按键状态，按下还是松开的？

运行测试

编译驱动程序和测试APP

1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为“keyinput.o”，Makefile 内容如下所示：

1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := keyinput.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

第4 行，设置obj-m 变量的值为“keyinput.o”。
输入如下命令编译出驱动模块文件ÿ

以上是关于Linux INPUT 子系统实验的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

2018-2019-1 20165320 《信息安全系统设计基础》 缓冲区溢出漏洞实验

20179223《Linux内核原理与分析》第十一周学习笔记

20155201 李卓雯 《网络对抗技术》实验一 逆向及Bof基础

Android 逆向Linux 文件权限 ( Linux 权限简介 | 系统权限 | 用户权限 | 匿名用户权限 | 读 | 写 | 执行 | 更改组 | 更改用户 | 粘滞 )(代码片段

Linux Input子系统

Linux input 子系统详解