????????AlienTek的IMX6ULL開發(fā)板自帶了一個按鍵和一個LED燈，這兩個外設分別接在兩個不同的GPIO端口，各自獨立。我們想把按鍵作為燈的開關，通過按壓按鍵來控制燈的亮滅，即燈亮時按一下則燈滅，燈滅時按一下則燈亮，這里的“按一下”是指按鍵從被按下到抬起后的整個過程。對開發(fā)板SOC而言，按鍵的物理狀態(tài)可通過與其相連的GPIO端口的電平值得到反映，GPIO本身可作為中斷控制器，GPIO輸入電平的值或者電平值的變化都可以作為中斷觸發(fā)信號，中斷的處理過程由Linux中斷子系統(tǒng)作統(tǒng)一管理。我們可以利用Linux框架下的中斷來實現(xiàn)前面所說的按鍵開關功能。

[1] Hardware層

① 電路原理

????????首先要明確按鍵和燈的硬件信息。LED燈和按鍵的硬件原理圖主要如下。據(jù)圖我們可得知LED0的陰極和GPIO1_03連接，陽極電平為3.3V，所以GPIO1_03輸出低電平時燈亮，否則燈滅。按鍵與引腳UART1_CTS連接，這是哪個GPIO端口？查閱IMX6ULL的參考手冊如下圖，可以得知UART1_CTS復用GPIO1_18的功能，我們可以通過設置復用寄存器，把該引腳的功能配成GPIO，那么根據(jù)原理圖可知，當按鍵按下時GPIO1_18輸入低電平，平時輸入高電平。

② 硬件的設備樹表示

????????當前的Linux內(nèi)核框架下，開發(fā)板的硬件信息都是基于設備樹呈現(xiàn)的，所以我們要把以上的硬件外設寫成設備樹的形式以供內(nèi)核讀取。我們直接在設備樹SOC的根目錄下創(chuàng)建2個獨立節(jié)點，分別表示LED和按鍵，如下。LED的節(jié)點名稱為gpioled，其節(jié)點屬性pinctrl-0指向pinctrl_led節(jié)點，它描述了GPIO1_03的復用、電氣屬性等信息，字段MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03可在imx6ul-pinfunc.h中查到，它是由5個十六進制數(shù)組成的宏定義，表示該端口配置為GPIO功能，即GPIO1_IO03。后面跟的數(shù)0x10B0表示了GPIO1_IO03的電氣配置參數(shù)，它的各位含義可參照參考手冊中的寄存器IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03。屬性字段led-gpio描述了gpioled節(jié)點使用到的GPIO信息，“&gpio1 3”就是指GPIO1_03，GPIO_ACTIVE_LOW表示“低電平有效”，“有效”在這里是指LED燈亮，由于GPIO輸出低電平時燈亮，所以我們說低有效。這樣LED的設備樹節(jié)點用到的信息就完成了。按鍵的節(jié)點名稱為key，它用到的引腳GPIO信息和LED的引腳信息寫法類似，無須贅述。需要關注的是，字段interrupt-parent意思是中斷繼承，因為我們要利用按鍵GPIO的中斷功能，所以需要在這里添加中斷相關的信息，中斷繼承的內(nèi)容是&gpio1，GPIO1本身是中斷控制器，這里的意思是按鍵連接的GPIO的中斷觸發(fā)由GPIO1中斷控制器處理。后面的interrupts字段，18表示GPIO1_18在GPIO1中斷控制器的中斷索引，IRQ_TYPE_EDGE_RISING表示GPIO輸入電平上升沿觸發(fā)中斷，也就是按鍵彈起時中斷應得到響應。

[2] Driver層

????????我們在driver層定義一個字符設備，整個驅動框架按Linux字符設備框架搭建，主要的幾個任務有從設備樹獲取定義好的硬件信息、按鍵GPIO申請中斷、定義中斷服務函數(shù)、按鍵消抖、LED亮滅控制等。我們設想的開關控制燈亮滅的邏輯是：按鍵被按壓完成后觸發(fā)中斷，在中斷服務函數(shù)中更新燈當前的亮滅狀態(tài)，driver把該狀態(tài)上報到app層，app層讀取LED狀態(tài)并據(jù)此發(fā)送相應的控制命令到driver，driver根據(jù)命令控制LED燈GPIO的輸出電平從而控制亮滅。在文件操作結構體file_operations中，我們可以實現(xiàn)read和ioctl這兩個接口，前者用來向應用層報告“按鍵被按”這個消息，后者用來實現(xiàn)LED燈的控制方法。

????????對于機械按鍵而言，往往需要考慮按鍵抖動問題，在按鍵剛按完后立即讀對應的GPIO電平，由于抖動存在常會出現(xiàn)隨機的電平值，時高時低，難以說明按鍵的真正狀態(tài)。一般需要在按鍵動作結束后間隔幾毫秒至幾十毫秒，再去獲取GPIO電平，此時基本上能得到真實的按鍵狀態(tài)，即消抖。但是在中斷處理函數(shù)中最好不要做任何延時操作，我們可以利用內(nèi)核定時器的特性，當按鍵動作后中斷被觸發(fā)，在中斷處理函數(shù)中激活定時器，這樣定時器將在給定的時間后調用定時器處理函數(shù)，我們在定時器處理函數(shù)中再去讀取按鍵GPIO電平。

① 設備結構

????????我們首先定義設備結構體，如下，把能用到的幾乎所有信息都寫進去了。成員ledIndex和keyIndex表示LED和按鍵對應的GPIO編號，這是通過系統(tǒng)提供的of函數(shù)從設備樹外設節(jié)點獲取得到的，后面要用于燈的控制及中斷申請等操作。成員keyRelease標志按鍵的動作是否完成，完成為true，否則為false。成員irqHandler將來要指向我們自定義的中斷處理函數(shù)。

② 驅動模塊初始化

????????驅動初始化時主要處理3件事情，即注冊字符設備（注冊cdev、創(chuàng)建類和設備等）、從設備樹獲取外設節(jié)點（申請GPIO使用權、申請中斷等）和初始化定時器（指定定時器觸發(fā)函數(shù)）。獲取外設節(jié)點的GPIO信息后，首先要調用函數(shù)gpio_request獲得GPIO的使用權限。對于按鍵GPIO，先調用gpio_direction_input將GPIO1_18配置成輸入模式，然后調用gpio_to_irq根據(jù)GPIO編號得到中斷號，并指定該中斷號關聯(lián)的中斷服務函數(shù)，再調用request_irq向系統(tǒng)申請按鍵的GPIO中斷，中斷觸發(fā)方式要按上升沿配置，并且要給這個接口傳入設備實例指針，這樣在中斷服務函數(shù)中就可以獲取到設備信息。在中斷處理中我們激活定時器，讓它在一定時間后執(zhí)行定時器觸發(fā)函數(shù)。在定時器觸發(fā)函數(shù)中，我們應該讀取GPIO1_18的電平值，如果為高電平則表示按鍵已經(jīng)彈起，按鍵動作完成了，否則表示按鍵還處于被按壓的狀態(tài)，按鍵動作未完成。

③ 系統(tǒng)調用接口實現(xiàn)

????????我們主要實現(xiàn)read和ioctl。在read中，我們先判斷設備實例中的keyRelease標志是否為true，是則設置燈控制標志，如果當前燈亮則標志為關燈，否則標志為開燈，然后將keyRelease和燈控制標志一起通過copy_to_user報告給上層。在ioctl中，根據(jù)上層發(fā)送來的燈控制命令調用gpio_set_value設置LED GPIO的輸出電平，實現(xiàn)開燈或關燈，這里的燈控制命令就是上面設備結構體中定義的SETLEDON和SETLEDOFF。

④ driver完整代碼

[3] App層

????????我們在應用層使用read輪詢是否有內(nèi)核上報按鍵完成標志和燈控制標志，一旦有則根據(jù)燈控制標志來調用ioctl的具體命令，向內(nèi)核發(fā)送LED控制信號，主要的實現(xiàn)如下：

[4] 實踐結果

????????編寫驅動模塊的Makefile，編譯更新后的設備樹、內(nèi)核驅動和上層應用，得到新的內(nèi)核模塊、dtb及可執(zhí)行文件，把它們導入到IMX6ULL開發(fā)板系統(tǒng)中的相應目錄，重啟開發(fā)板。首先加載驅動模塊，可看到內(nèi)核打印信息：

對照driver代碼可知這些日志位置是在驅動模塊加載函數(shù)中，顯示該字符設備的主設備號是248，LED對應GPIO的編號是3，按鍵GPIO編號是18，這些都和硬件信息相符，獲得的中斷號是46。查看系統(tǒng)中的中斷列表：

可見最后一列中斷名稱為key0的那行，正是我們申請的GPIO中斷，最左側是中斷號46，目前被觸發(fā)次數(shù)為0，因為我們還沒按下按鍵。運行上層應用對應的可執(zhí)行文件，然后按下開發(fā)板上的按鍵KEY0數(shù)次，可以看到每完成一次按鍵動作，應用層收到一次標志上報，同時現(xiàn)象上LED亮滅逐次翻轉：

與此對應的，內(nèi)核打印了相同次數(shù)的中斷觸發(fā)、按鍵完成及燈控制命令等信息：

根據(jù)日志信息也可驗證驅動調用順序，每次都是先進入中斷服務key0_irqHandler，再進入定時器觸發(fā)函數(shù)打印按鍵釋放信息，然后打印來自上層的燈控制命令信息。這時再次查看中斷信息：

發(fā)現(xiàn)46號中斷的觸發(fā)次數(shù)為13，對應上面key0_irqHandler triggered日志次數(shù)也是13，但實際上剛才按下按鍵的次數(shù)為10，對應應用層日志也是打印10次，這里就體現(xiàn)了前面所說的按鍵抖動問題，由于抖動一次按鍵動作可能引起了不止一次的GPIO電平上升過程，而定時器延時消抖的作用使得按鍵次數(shù)和燈狀態(tài)翻轉次數(shù)保持了一致。