Linux核心輸入子系統驅動程式開發

Linux 輸入子系統是處理來自各種輸入裝置事件的核心框架。本文介紹如何開發根據 I2C 的加速器和 Nunchuk 驅動程式，並將其註冊到輸入子系統。首先，以 ADXL345 加速器為例，說明 I2C 裝置的初始化、設定測量模式、註冊輸入裝置、設定事件型別與程式碼，以及輪詢函式的實作。接著，延伸至 Nunchuk 控制器的整合，闡述硬體連線方式與軟體實作重點。最後，詳細說明如何使用裝置樹描述 Nunchuk 裝置，包含 I2C 控制器設定、時脈頻率、裝置地址等，並深入解析 I2C 驅動程式設定、通訊實作，以及 Input 框架的整合與事件處理。

Linux 核心輸入子系統驅動程式開發

前言

Linux 的輸入子系統（Input Subsystem）是用於處理來自各種輸入裝置（如鍵盤、滑鼠、觸控式螢幕、加速器等）的事件的核心框架。本文將介紹如何開發一個根據 I2C 的加速器驅動程式，並將其註冊到輸入子系統中。

硬體與軟體需求

ADXL345 加速器模組
Raspberry Pi 3 或其他支援的硬體平台
Linux 5.4 核心原始碼

驅動程式開發步驟

1. 初始化 I2C 裝置支援

首先，需要在驅動程式中加入對 ADXL345 加速器的支援。定義裝置的相容性與 I2C 裝置 ID。

static const struct of_device_id ioaccel_dt_ids[] = {
    { .compatible = "arrow,adxl345", },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, ioaccel_dt_ids);

static const struct i2c_device_id i2c_ids[] = {
    { "adxl345", 0 },
    { }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, i2c_ids);

2. 設定加速器進入測量模式

使用 SMBus 函式存取加速器的暫存器，使其進入測量模式。

#define POWER_CTL 0x2D
#define PCTL_MEASURE (1 << 3)
#define OUT_X_MSB 0x33

/* 進入測量模式 */
i2c_smbus_write_byte_data(client, POWER_CTL, PCTL_MEASURE);

3. 將裝置註冊到輸入子系統

建立一個私有資料結構 struct ioaccel_dev，用於管理物理裝置與邏輯裝置之間的指標。

struct ioaccel_dev {
    struct i2c_client *i2c_client;
    struct input_polled_dev *polled_input;
};

4. 初始化輪詢輸入裝置

在 ioaccel_probe() 函式中，分配並初始化 input_polled_dev 結構。

ioaccel->polled_input = devm_input_allocate_polled_device(&client->dev);
ioaccel->i2c_client = client;
ioaccel->polled_input->private = ioaccel;
ioaccel->polled_input->poll_interval = 50;
ioaccel->polled_input->poll = ioaccel_poll;

5. 設定事件型別與程式碼

設定裝置支援的事件型別與程式碼。

set_bit(EV_KEY, ioaccel->polled_input->input->evbit);
set_bit(KEY_1, ioaccel->polled_input->input->keybit);

6. 註冊輪詢輸入裝置

在 ioaccel_probe() 中註冊裝置，在 ioaccel_remove() 中取消註冊。

input_register_polled_device(ioaccel->polled_input);
input_unregister_polled_device(ioaccel->polled_input);

7. 輪詢函式實作

實作 ioaccel_poll() 函式，用於讀取加速器的值並產生輸入事件。

static void ioaccel_poll(struct input_polled_dev *pl_dev)
{
    struct ioaccel_dev *ioaccel = pl_dev->private;
    int val = 0;

    val = i2c_smbus_read_byte_data(ioaccel->i2c_client, OUT_X_MSB);
    if ((val > 0xc0) && (val < 0xff)) {
        input_event(ioaccel->polled_input->input, EV_KEY, KEY_1, 1);
    } else {
        input_event(ioaccel->polled_input->input, EV_KEY, KEY_1, 0);
    }
    input_sync(ioaccel->polled_input->input);
}

#### 內容解密：

此函式會每隔一段時間（由 poll_interval 設定）被呼叫，用於讀取 ADXL345 加速器的 OUT_X_MSB 暫存器的值。根據讀取值決定是否產生 KEY_1 的按下或放開事件，並透過 input_sync() 提交事件。

建置與佈署驅動程式

建立新的檔案 i2c_rpi3_accel.c 在 linux_5.4_rpi3_drivers 資料夾中。
修改 Makefile 將 i2c_rpi3_accel.o 新增到 obj-m 中。
建置並佈署模組到 Raspberry Pi。

~/linux_5.4_rpi3_drivers$ make
~/linux_5.4_rpi3_drivers$ make deploy

輸入子系統驅動程式開發：加速規與Nunchuk控制

加速規輸入子系統驅動開發

在Linux核心中，輸入子系統（Input Subsystem）提供了一個統一的介面，用於處理來自不同輸入裝置的事件，如鍵盤、滑鼠、觸控螢幕等。本章節將探討如何開發一個輸入子系統驅動程式，以控制加速規（Accelerometer）裝置，並將其註冊為輸入裝置。

程式碼解析

以下是i2c_rpi3_accel.c檔案的程式碼片段，用於實作加速規輸入子系統驅動：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/input-polldev.h>

struct ioaccel_dev {
    struct i2c_client *i2c_client;
    struct input_polled_dev *polled_input;
};

#define POWER_CTL 0x2D
#define PCTL_MEASURE (1 << 3)
#define OUT_X_MSB 0x33

static void ioaccel_poll(struct input_polled_dev *pl_dev)
{
    struct ioaccel_dev *ioaccel = pl_dev->private;
    int val = 0;

    val = i2c_smbus_read_byte_data(ioaccel->i2c_client, OUT_X_MSB);
    if ((val > 0xc0) && (val < 0xff)) {
        input_event(ioaccel->polled_input->input, EV_KEY, KEY_1, 1);
    } else {
        input_event(ioaccel->polled_input->input, EV_KEY, KEY_1, 0);
    }
    input_sync(ioaccel->polled_input->input);
}

static int ioaccel_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
    // ...
}

內容解密：

ioaccel_poll函式是輪詢函式，用於讀取加速規的資料並產生輸入事件。
i2c_smbus_read_byte_data函式用於讀取加速規的OUT_X_MSB暫存器值。
根據讀取的值，若落在特定範圍內，則產生EV_KEY事件，並將KEY_1的值設為1或0。
input_sync函式用於同步輸入事件。

程式碼流程圖

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title Linux核心輸入子系統驅動程式開發

package "Linux Shell 操作" {
    package "檔案操作" {
        component [ls/cd/pwd] as nav
        component [cp/mv/rm] as file
        component [chmod/chown] as perm
    }

    package "文字處理" {
        component [grep] as grep
        component [sed] as sed
        component [awk] as awk
        component [cut/sort/uniq] as text
    }

    package "系統管理" {
        component [ps/top/htop] as process
        component [systemctl] as service
        component [cron] as cron
    }

    package "管線與重導向" {
        component [| 管線] as pipe
        component [> >> 輸出] as redirect
        component [$() 命令替換] as subst
    }
}

nav --> file : 檔案管理
file --> perm : 權限設定
grep --> sed : 過濾處理
sed --> awk : 欄位處理
pipe --> redirect : 串接命令
process --> service : 服務管理

note right of pipe
  命令1 | 命令2
  前者輸出作為後者輸入
end note

@enduml

此圖示說明瞭ioaccel_poll函式的邏輯流程。

Nunchuk輸入子系統驅動開發

Nunchuk是Wii遊戲機的控制器，包含3軸加速規、X-Y搖桿和兩個按鈕。透過I2C通訊，可以控制Nunchuk裝置。

硬體連線

將Raspberry Pi的I2C腳位連線到Nunchuk的UEXT接頭：

連線Raspberry Pi SCL到UEXT SCL（Pin 5）
連線Raspberry Pi SDA到UEXT SDA（Pin 6）
連線Raspberry Pi 3.3V到UEXT 3.3V（Pin 1）
連線Raspberry Pi GND到UEXT GND（Pin 2）

軟體實作

開發Nunchuk輸入子系統驅動程式，需要實作I2C通訊和輸入事件處理。

LAB 10.2：Nunchuk 裝置樹描述與驅動程式實作

在本文中，我們將探討如何使用裝置樹（Device Tree）描述 Nunchuk 裝置，並實作其驅動程式。首先，我們會分析裝置樹的組態，接著介紹驅動程式的主要程式碼段落，包括 I2C 驅動程式的設定和 Input 框架驅動程式的設定。

裝置樹描述

首先，開啟 bcm2710-rpi-3-b.dts 檔案，找到 i2c1 控制器主節點。在 i2c1 節點中，有一個 pinctrl-0 屬性指向 i2c1_pins 鎖存組態節點，該節點組態了 i2c1 控制器的引腳為 I2C 模式。i2c1_pins 鎖存組態節點定義在 bcm2710-rpi-3-b.dts 檔案中的 gpio 節點屬性內。

&i2c1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&i2c1_pins>;
    clock-frequency = <100000>;
    status = "okay";
    nunchuk: nunchuk@52 {
        compatible = "nunchuk";
        reg = <0x52>;
    };
};

內容解密：

&i2c1 表示對 i2c1 節點的參考。
pinctrl-names 和 pinctrl-0 用於設定引腳組態。
clock-frequency = <100000> 設定 I2C 匯流排的時脈頻率為 100 kHz。
status = "okay" 啟用 i2c1 控制器。
nunchuk: nunchuk@52 是新增的子節點，描述 Nunchuk 裝置。
compatible = "nunchuk" 與驅動程式中的 of_device_id 結構相匹配。
reg = <0x52> 指定 Nunchuk 裝置的 I2C 地址。

Nunchuk 控制器驅動程式描述

Nunchuk 驅動程式主要分為兩個部分：I2C 驅動程式設定和 Input 框架驅動程式設定。

I2C 驅動程式設定

#include <linux/i2c.h>

static struct i2c_driver nunchuk_driver = {
    .driver = {
        .name = "nunchuk",
        .owner = THIS_MODULE,
        .of_match_table = nunchuk_of_match,
    },
    .probe = nunchuk_probe,
    .remove = nunchuk_remove,
    .id_table = nunchuk_id,
};

module_i2c_driver(nunchuk_driver);

static const struct of_device_id nunchuk_of_match[] = {
    { .compatible = "nunchuk"},
    {}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, nunchuk_of_match);

static const struct i2c_device_id nunchuk_id[] = {
    {"nunchuk", 0},
    {}
};
MODULE_DEVICE_TABLE(i2c, nunchuk_id);

內容解密：

定義了一個 i2c_driver 結構體 nunchuk_driver，並註冊到 I2C 匯流排。
使用 of_match_table 和 id_table 來匹配裝置樹中的 Nunchuk 節點。
probe 和 remove 函式分別在裝置被偵測到和移除時被呼叫。

I2C 通訊實作

static int nunchuk_read_registers(struct i2c_client *client, u8 *buf, int buf_size)
{
    int status;
    mdelay(10);
    buf[0] = 0x00;
    status = i2c_master_send(client, buf, 1);
    if (status >= 0 && status != 1)
        return -EIO;
    if (status < 0)
        return status;
    mdelay(10);
    status = i2c_master_recv(client, buf, buf_size);
    if (status >= 0 && status != buf_size)
        return -EIO;
    if (status < 0)
        return status;
    return 0;
}

內容解密：

使用 i2c_master_send 和 i2c_master_recv 函式與 Nunchuk 裝置進行 I2C 通訊。
首先傳送一個位元組 0x00 以請求資料，然後接收 Nunchuk 傳送的資料。

Input 框架驅動程式設定

#include <linux/input.h>
#include <linux/input-polldev.h>

struct nunchuk_dev {
    struct input_polled_dev *polled_input;
    struct i2c_client *client;
};

static int nunchuk_probe(struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
    struct nunchuk_dev *nunchuk;
    struct input_polled_dev *polled_device;

    nunchuk = devm_kzalloc(&client->dev, sizeof(*nunchuk), GFP_KERNEL);
    polled_device = devm_input_allocate_polled_device(&client->dev);

    nunchuk->client = client;
    polled_device->private = nunchuk;
    polled_device->poll_interval = 50;
    polled_device->poll = nunchuk_poll;
    polled_device->input->dev.parent = &client->dev;
    polled_device->input->name = "WII Nunchuk";
    polled_device->input->id.bustype = BUS_I2C;

    set_bit(EV_KEY, polled_device->input->evbit);
    set_bit(BTN_C, polled_device->input->keybit);
    set_bit(BTN_Z, polled_device->input->keybit);

    // ...
}

內容解密：

定義了一個私有資料結構 nunchuk_dev，包含了一個 input_polled_dev 指標和一個 i2c_client 指標。
在 probe 函式中，分配了私有資料結構和輪詢輸入裝置的記憶體，並進行了相關的初始化。
設定了輸入裝置的事件型別和事件程式碼，以支援按鍵事件。

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。