输入系统应用编程

于 2024-11-08 18:59:11 发布
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分类专栏： Linux应用 文章标签： linux linux应用 学习 笔记
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什么是输入系统?

输入系统框架及调试

1.框架概述

2.编写 APP 需要掌握的知识

① 内核中怎么表示一个输入设备？

② APP 可以得到什么数据？

③ 输入子系统支持完整的 API 操作

3.调试技巧

① 确定设备信息

② 使用命令读取数据

不使用库的应用程序示例

1.输入系统支持完整的 API 操作

2.APP 访问硬件的 4 种方式：妈妈怎么知道孩子醒了

3.获取设备信息

4.查询方式

5.休眠-唤醒方式

6.POLL/SELECT 方式

① 功能介绍

② 使用 POLL 编程

7.异步通知方式

① 功能介绍

② 应用编程

什么是输入系统?

\bullet 先来了解什么是输入设备？
        常见的输入设备有键盘、鼠标、遥控杆、书写板、触摸屏等等,用户通过这些输入设备与 Linux 系统进行数据交换。
\bullet 什么是输入系统？
        输入设备种类繁多，能否统一它们的接口？既在驱动层面统一，也在应用程序层面统一？可以的。
        Linux 系统为了统一管理这些输入设备，实现了一套能兼容所有输入设备的框架：输入系统。驱动开发人员基于这套框架开发出程序，应用开发人员就可以使用统一的 API 去使用设备。

输入系统框架及调试

1.框架概述

        作为应用开发人员，可以只基于 API 使用输入子系统。但是了解内核中输入子系统的框架、了解数据流程，有助于解决开发过程中碰到的硬件问题、驱动问题。
        输入系统框架如图:

        假设用户程序直接访问 /dev/input/event0 设备节点，或者使用 tslib 访问设备节点，数据的流程如下：
①APP 发起读操作，若无数据则休眠；
②用户操作设备，硬件上产生中断；
③输入系统驱动层对应的驱动程序处理中断：
        读取到数据，转换为标准的输入事件，向核心层汇报。
        所谓输入事件就是一个“struct input_event”结构体。
④核心层可以决定把输入事件转发给上面哪个 handler 来处理：
        从 handler 的名字来看，它就是用来处输入操作的。有多种 handler，比如：evdev_handler、kbd_handler、joydev_handler 等等。
        最常用的是 evdev_handler：它只是把 input_event 结构体保存在内核 buffer ，等 APP 来读取时就原原本本地返回。它支持多个 APP 同时访问输入设备，每个 APP 都可以获得同一份输入事件。
        当 APP 正在等待数据时，evdev_handler 会把它唤醒，这样 APP 就可以返回数据。
⑤APP 对输入事件的处理：
        APP 获得数据的方法有 2 种：直接访问设备节点(比如 /dev/input/event0,1,2,...)，或者通过 tslib、libinput 这类库来间接访问设备节点。这些库简化了对数据的处理。

2.编写 APP 需要掌握的知识

        基于编写应用程序的角度，只需要理解这些内容：

① 内核中怎么表示一个输入设备？

        使用 input_dev 结构体来表示输入设备，它的内容如图：

② APP 可以得到什么数据？

        可以得到一系列的输入事件，就是一个一个“struct input_event”，它定义如图：

        每个输入事件 input_event 中都含有发生时间：timeval 表示的是“自系统启动以来过了多少时间”，它是一个结构体，含有“tv_sec、tv_usec”两项(即秒、微秒)。
        输入事件 input_event 中更重要的是：type(哪类事件)、code(哪个事件)、value(事件值)，细讲如下：
① type：表示哪类事件
        比如 EV_KEY 表示按键类、EV_REL 表示相对位移(比如鼠标)，EV_ABS 表示绝对位置(比如触摸屏)。如下图这几类事件(参考 Linux 内核头文件)：

② code：表示该类事件下的哪一个事件
        比如对于 EV_KEY (按键)类事件，它表示键盘。键盘上有很多按键，比如数字键 1、2、3，字母键 A、B、C 里等。所以可以有下图这些事件：

        对于触摸屏，它提供的是绝对位置信息，有 X 方向、Y 方向，还有压力值。所以 code 值有这些： 

③ value：表示事件值
        对于按键，它的 value 可以是 0(表示按键被按下)、1(表示按键被松开)、2(表示长按)；
        对于触摸屏，它的 value 就是坐标值、压力值。
④ 事件之间的界线
        APP 读取数据时，可以得到一个或多个数据，比如一个触摸屏的一个触点会上报 X、Y 位置信息，也可能会上报压力值。
        \blacksquare APP 怎么知道它已经读到了完整的数据？
        驱动程序上报完一系列的数据后，会上报一个“同步事件”，表示数据上报完毕。APP 读到“同步事件”时，就知道已经读完了当前的数据。
        同步事件也是一个 input_event 结构体，它的 type、code、value 三项都是 0。

③ 输入子系统支持完整的 API 操作

        支持这些机制：阻塞、非阻塞、POLL/SELECT、异步通知。

3.调试技巧

① 确定设备信息

        输入设备的设备节点名为 /dev/input/eventX (也可能是/dev/eventX，X 表示 0、1、2 等数字)。查看设备节点，可以执行以下命令：

ls /dev/input/* -l

或

ls /dev/event* -l

        可以看到类似下图的信息：

 

        怎么知道这些设备节点对应什么硬件呢？可以在板子上执行以下命令： 

cat /proc/bus/input/devices

        这条指令的含义就是获取与 event 对应的相关设备信息，可以看到类似以下的结果： 

那么这里的 I、N、P、S、U、H、B 对应的每一行是什么含义呢？ 

① I:id of the device(设备 ID)
        该参数由结构体 struct input_id 来进行描述，驱动程序中会定义这样的结构体：

② N:name of the device
        设备名称
③ P:physical path to the device in the system hierarchy
        系统层次结构中设备的物理路径
④ S:sysfs path
        位于 sys 文件系统的路径
⑤ U:unique identification code for the device(if device has it)
        设备的唯一标识码
⑥ H:list of input handles associated with the device
        与设备关联的输入句柄列表
⑦ B:bitmaps(位图)

        值得注意的是 B 位图，比如上图中“B: EV=b”用来表示该设备支持哪类输入事件。b 的二进制是 1011，bit0、1、3 为 1，表示该设备支持 0、1、3 这三类事件，即 EV_SYN、EV_KEY、EV_ABS。
再举一个例子，“B: ABS=2658000 3”如何理解？
        它表示该设备支持 EV_ABS 这一类事件中的哪一些事件。这是 2 个 32 位的数字：0x2658000、0x3，高位在前低位在后，组成一个 64 位的数字：“0x2658000,00000003”，数值为 1 的位有：0、1、47、48、50、53、54，即：0、1、0x2f、0x30、0x32、0x35、0x36，对应以下这些宏：

        即这款输入设备支持上述的 ABS_X 、ABS_Y 、ABS_MT_SLOT 、ABS_MT_TOUCH_MAJOR 、ABS_MT_WIDTH_MAJOR 、ABS_MT_POSITION_X、ABS_MT_POSITION_Y 这些绝对位置事件(它们的含义在后面讲解电容屏时再细讲)。 

② 使用命令读取数据

        调试输入系统时，直接执行类似下面的命令，然后操作对应的输入设备即可读出数据：

hexdump /dev/input/event0

        在开发板上执行上述命令之后，点击按键或是点击触摸屏，就会打印下图信息： 

        上图的 type 为 3 ，对应 EV_ABS ；code 为 0x35 对应 ABS_MT_POSITION_X；code 为 0x36 对应 ABS_MT_POSITION_Y。
        上图中还发现有 2 个同步事件：它的 type、code、value 都为 0。表示电容屏上报了 2 次完整的数据。

不使用库的应用程序示例

1.输入系统支持完整的 API 操作

        支持这些机制：阻塞、非阻塞、POLL/SELECT、异步通知。作为 APP 开发人员，即使没有深入理解这些机制，也是可以编写出程序的。

2.APP 访问硬件的 4 种方式：妈妈怎么知道孩子醒了

妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？

① 时不时进房间看一下：查询方式
        简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
        不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll 方式
        要浪费点时间，但是可以继续干活。
        妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知
        妈妈、小孩互不耽误。
这 4 种方法没有优劣之分，在不同的场合使用不同的方法。

3.获取设备信息

        通过 ioctl 获取设备信息，ioctl 的参数如下：

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

        有些驱动程序对 request 的格式有要求，它的格式如下： 

        dir 为_IOC_READ(即 2)时，表示 APP 要读数据；为_IOC_WRITE(即 4)时，表示 APP 要写数据。
        size 表示这个 ioctl 能传输数据的最大字节数。
        type、nr 的含义由具体的驱动程序决定。

比如要读取输入设备的 evbit 时，ioctl 的 request 要写为“EVIOCGBIT(0, size)”，size 的大小可以由你决定：你想读多少字节就设置为多少。这个宏的定义如下：

代码如下：

#include <linux/input.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>

/* ./01_get_input_info /dev/input/event0 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	int err;
	int len;
	int i;
	unsigned char byte;
	int bit;
	struct input_id id;
	unsigned int evbit[2];
	char *ev_names[] = {
		"EV_SYN ",
		"EV_KEY ",
		"EV_REL ",
		"EV_ABS ",
		"EV_MSC ",
		"EV_SW	",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"EV_LED ",
		"EV_SND ",
		"NULL ",
		"EV_REP ",
		"EV_FF	",
		"EV_PWR ",
		};
	
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if (fd < 0)
	{
		printf("open %s err\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	err = ioctl(fd, EVIOCGID, &id);
	if (err == 0)
	{
		printf("bustype = 0x%x\n", id.bustype );
		printf("vendor	= 0x%x\n", id.vendor  );
		printf("product = 0x%x\n", id.product );
		printf("version = 0x%x\n", id.version );
	}

	len = ioctl(fd, EVIOCGBIT(0, sizeof(evbit)), &evbit);
	if (len > 0 && len <= sizeof(evbit))
	{
		printf("support ev type: ");
		for (i = 0; i < len; i++)
		{
			byte = ((unsigned char *)evbit)[i];
			for (bit = 0; bit < 8; bit++)
			{
				if (byte & (1<<bit)) {
					printf("%s ", ev_names[i*8 + bit]);
				}
			}
		}
		printf("\n");
	}
	return 0;
}

交叉编译后在板子上运行：

用法为 ./test <设备路径>

4.查询方式

        APP 调用 open 函数时，传入“O_NONBLOCK”表示“非阻塞”。
        APP 调用 read 函数读取数据时，如果驱动程序中有数据，那么 APP 的 read 函数会返回数据，否则也会立刻返回错误。

5.休眠-唤醒方式

        APP 调用 open 函数时，不要传入“O_NONBLOCK”。
        APP 调用 read 函数读取数据时，如果驱动程序中有数据，那么 APP 的 read 函数会返回数据；否则 APP 就会在内核态休眠，当有数据时驱动程序会把 APP 唤醒，read 函数恢复执行并返回数据给 APP。

6.POLL/SELECT 方式

① 功能介绍

        POLL 机制、SELECT 机制是完全一样的，只是 APP 接口函数不一样。
        简单地说，它们就是“定个闹钟”：在调用 poll、select 函数时可以传入“超时时间”。在这段时间内，条件合适时(比如有数据可读、有空间可写)就会立刻返回，否则等到“超时时间”结束时返回错误。
        用法如下：
\bullet APP 先调用 open 函数
\bullet APP 不是直接调用 read 函数，而是先调用 poll 或 select 函数，这 2 个函数中可以传入“超时时间”。它们的作用是：如果驱动程序中有数据，则立刻返回；否则就休眠。在休眠期间，如果有人操作了硬件，驱动程序获得数据后就会把 APP 唤醒，导致 poll 或 select 立刻返回；如果在“超时时间”内无人操作硬件，则时间到后 poll 或 select 函数也会返回。APP 可以根据函数的返回值判断返回原因：有数据？无数据超时返回？
\bullet APP 根据 poll 或 select 的返回值判断有数据之后，就调用 read 函数读取数据时，这时就会立刻获得数据。
\bullet poll/select 函数可以监测多个文件，可以监测多种事件：

        在调用 poll 函数时，要指明：
\bullet 你要监测哪一个文件：哪一个 fd
\bullet 你想监测这个文件的哪种事件：是 POLLIN、还是 POLLOUT 
        最后，在 poll 函数返回时，要判断状态。
应用程序代码如下：

struct pollfd fds[1];
int timeout_ms = 5000;
int ret;

fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;

ret = poll(fds, 1, timeout_ms);
if ((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN))
{
    read(fd, &val, 4);
    printf("get button : 0x%x\n", val);
}

② 使用 POLL 编程

精简过的核心源码如下：


第 61 行：打开设备文件。
第 96~98 行：设置 pollfd 结构体。
第 96 行：想查询哪个文件(fd)？
第 97 行：想查询什么事件(POLLIN)？
第 98 行：先清除“返回的事件”(revents)。
第 99 行：使用 poll 函数查询事件，指定超时时间为 5000(ms)。
第 100、110 行判断返回值：大于 0 表示期待的事件发生了，等于 0 表示超时。 

7.异步通知方式

异步通知其实就是进程间通信的信号，可以看我这篇博客，里面非常详细Linux进程间通信（信号），这里就不深入函数讲解了。

① 功能介绍

        所谓同步，就是“你慢我等你”。
        那么异步就是：你慢那你就自己玩，我做自己的事去了，有情况再通知我。
        所谓异步通知，就是 APP 可以忙自己的事，当驱动程序用数据时它会主动给 APP 发信号，这会导致 APP 执行信号处理函数。

仔细想想“发信号”，这只有 3 个字，却可以引发很多问题：
\bullet 谁发：驱动程序发 228 / 568
\bullet 发什么：信号
\bullet 发什么信号：SIGIO
\bullet 怎么发：内核里提供有函数
\bullet 发给谁：APP，APP 要把自己告诉驱动
\bullet APP 收到后做什么：执行信号处理函数
\bullet 信号处理函数和信号，之间怎么挂钩：APP 注册信号处理函数
        小孩通知妈妈的事情有很多：饿了、渴了、想找人玩。
        Linux 系统中也有很多信号，在 Linux 内核源文件 include\uapi\asm-generic\signal.h 中，有很多信号的宏定义：

        驱动程序通知 APP 时，它会发出“SIGIO”这个信号，表示有“IO 事件”要处理。
        就 APP 而言，你想处理 SIGIO 信息，那么需要提供信号处理函数，并且要跟 SIGIO 挂钩。这可以通过一个 signal 函数来“给某个信号注册处理函数”，用法如下：

除了注册 SIGIO 的处理函数，APP 还要做什么事？想想这几个问题：
内核里有那么多驱动，你想让哪一个驱动给你发 SIGIO 信号？ 
        APP 要打开驱动程序的设备节点。
驱动程序怎么知道要发信号给你而不是别人？
        APP 要把自己的进程 ID 告诉驱 动程序。
APP 有时候想收到信号，有时候又不想收到信号：
        应该可以把 APP 的意愿告诉驱动：设置 Flag 里面的 FASYNC 位为 1，使能“异步通知”。

② 应用编程

        应用程序要做的事情有这几件：
① 编写信号处理函数：

static void sig_func(int sig)
{
    int val;
    read(fd, &val, 4);
    printf("get button : 0x%x\n", val);
}

② 注册信号处理函数：

signal(SIGIO, sig_func);

③ 打开驱动：

fd = open(argv[1], O_RDWR);

④ 把进程 ID 告诉驱动：

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

⑤ 使能驱动的 FASYNC 功能：

flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);

源码如下：

#include <linux/input.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
 
int fd;
 
void my_sig_handler(int sig)
{
	struct input_event event;
	while (read(fd, &event, sizeof(event)) == sizeof(event))
	{
		printf("get event: type = 0x%x, code = 0x%x, value = 0x%x\n", event.type, event.code, event.value);		
	}
}
 
/* ./05_input_read_fasync /dev/input/event0 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int err;
	int len;
	int ret;
	int i;
	unsigned char byte;
	int bit;
	struct input_id id;
	unsigned int evbit[2];
	unsigned int flags;
	int count = 0;
	
	char *ev_names[] = {
		"EV_SYN ",
		"EV_KEY ",
		"EV_REL ",
		"EV_ABS ",
		"EV_MSC ",
		"EV_SW	",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"NULL ",
		"EV_LED ",
		"EV_SND ",
		"NULL ",
		"EV_REP ",
		"EV_FF	",
		"EV_PWR ",
		};
	
	if (argc != 2)
	{
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}
 
	/* 注册信号处理函数 */
	signal(SIGIO, my_sig_handler);
	
	/* 打开驱动程序 */
	fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
	if (fd < 0)
	{
		printf("open %s err\n", argv[1]);
		return -1;
	}
 
	err = ioctl(fd, EVIOCGID, &id);
	if (err == 0)
	{
		printf("bustype = 0x%x\n", id.bustype );
		printf("vendor	= 0x%x\n", id.vendor  );
		printf("product = 0x%x\n", id.product );
		printf("version = 0x%x\n", id.version );
	}
 
	len = ioctl(fd, EVIOCGBIT(0, sizeof(evbit)), &evbit);
	if (len > 0 && len <= sizeof(evbit))
	{
		printf("support ev type: ");
		for (i = 0; i < len; i++)
		{
			byte = ((unsigned char *)evbit)[i];
			for (bit = 0; bit < 8; bit++)
			{
				if (byte & (1<<bit)) {
					printf("%s ", ev_names[i*8 + bit]);
				}
			}
		}
		printf("\n");
	}
 
	/* 把APP的进程号告诉驱动程序 */
	fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
	
	/* 使能"异步通知" */
	flags = fcntl(fd, F_GETFL);
	fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);
	
	while (1)
	{
		printf("main loop count = %d\n", count++);
		sleep(2);
	}
 
	return 0;
}

开发板挂载共享文件后结果如下：

        后续会更新常用的输入设备--电阻屏电容屏的笔记，还有常用的开源库tslib来获取输入系统的信息，以便后续项目的进行。

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般若程序蝉(prajna.top)的专栏
01-06 5370
做的第一个开源软件是一个辞典软件：AlphaDict， 发现 linux 下面的输入法，似乎都不太好用， 总觉得没有 搜狗，紫光拼音好用，决定自己做一个试试看， 没想到是好大的一个”坑“, 足足花了近一年的时间, 不过,好歹总算是做出了一个1.0版本，一个基本可用的输入法。 写这篇文章来同大家聊一下，开发输入法过程中的坑。 一： 输入法协议. 这是第一个大坑, X11 不像windows 那样
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