输入系统应用编程

• 源码获取：AppBaseCode

1.1 什么是输入系统

• 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。

• 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。

1.2 输入系统框架及调试

1.2.1 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 7.1所示：

图 7.1 输入系统框架

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：

① APP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。

⑤ APP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。

要想深入理解整个输入系统，就必须研究内核的输入系统，这在后续的“驱动大全”中会讲解。

1.2.2 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 7.2：

图 7.2 输入设备结构体

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 7.3：

图 7.3 输入事件结构体

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)。有图 7.4这几类事件(参考Linux内核头文件)：

图 7.4 EV_TYPE

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。所以可以有图 7.5这些事件：

图 7.5 按键事件

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值有图 7.6这些：

图 7.6 绝对位置信息

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。

• 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。

1.2.3 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

可以看到图 7.7类似下面的信息：

图 7.7 查找设备节点

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：

图 7.8 查看设备信息

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：

图 7.9 设备ID

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)

PROP:device properties and quirks(设备属性)
EV:types of events supported by the device(设备支持的事件类型)
KEY:keys/buttons this device has(此设备具有的键/按钮)
MSC:miscellaneous events supported by the device(设备支持的其他事件)
LED:leds present on the device(设备上的指示灯)

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：

图 7.10 绝对信息宏定义

​ 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

注意：飞腾派试验箱上没有触摸屏（或者这个触摸名没有注册为输入设备），我们要接入USB鼠标，访问它对应的“/dev/input/event*”设备。

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

在开发板执行上述命令之后，如果这个设备是触摸屏（USB鼠标、键盘也是类似的），点击触摸屏，就会打印图 7.11信息：

图 7.11 按键或触摸打印信息

图 7.11中的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。

1.3 应用程序示例

本节源码位于如下目录：

07_input\

01_get_input_info.c

02_input_read.c

03_input_read_poll.c

04_input_read_select.c

05_input_read_fasync.c

3.1 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。

3.2 APP访问硬件的4种方式：妈妈怎么知道孩子醒了

图 7.12 举例示意图

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。

3.3 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：

图 7.13 request格式要求

比如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：

图 7.14 size宏定义

插上USB鼠标之前、之后，执行下面的命令查看多出了哪些节点：

ls /dev/input/event*

执行如下命令编译、测试：

gcc -o 01_get_input_info 01_get_input_info.c

baiwen@dshanpi-a1:~/code/11_input/01_app_demo$ ./01_get_input_info /dev/input/event11
bustype = 0x3
vendor  = 0x46d
product = 0xc53f
version = 0x111
support ev type: EV_SYN  EV_KEY  EV_REL  EV_MSC

3.4 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。

执行如下命令编译、测试：

gcc  -o  02_input_read  02_input_read.c

./02_input_read /dev/input/event11 nonblock
bustype = 0x3
vendor  = 0x46d
product = 0xc53f
version = 0x111
support ev type: EV_SYN  EV_KEY  EV_REL  EV_MSC
read err -1
read err -1
read err -1
read err -1
read err -1
read err -1
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0

不移动鼠标，会打印出很多“read err -1”；移动鼠标后，可以看到坐标的打印信息。

3.5 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。

执行如下命令编译、测试：

gcc -o 02_input_read  02_input_read.c

./02_input_read /dev/input/event11
bustype = 0x3
vendor  = 0x46d
product = 0xc53f
version = 0x111
support ev type: EV_SYN  EV_KEY  EV_REL  EV_MSC
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x1, value = 0xffffffff
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1

不移动鼠标时，read函数无返回；移动鼠标后，可以看到很多打印信息。

3.6 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。

• APP先调用open函数时。

​ 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？

• 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。

• poll/select函数可以监测多个文件，可以监测多种事件：

表 7‑1 poll/select监测事件

事件类型	说明
POLLIN	有数据可读
POLLRDNORM	等同于POLLIN
POLLRDBAND	Priority band data can be read，有优先级较较高的“band data”可读 Linux系统中很少使用这个事件
POLLPRI	高优先级数据可读
POLLOUT	可以写数据
POLLWRNORM	等同于POLLOUT
POLLWRBAND	Priority data may be written
POLLERR	发生了错误
POLLHUP	挂起
POLLNVAL	无效的请求，一般是fd未open

在调用poll函数时，要指明：

• 你要监测哪一个文件：哪一个fd

• 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

精简过的核心源码如下：

14 int main(int argc, char **argv)
15 {
16      int fd;
26      struct pollfd fds[1];
……
61      fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
……
94      while (1)
95      {
96              fds[0].fd = fd;

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。

执行如下命令编译、测试：

gcc -o 03_input_read_poll  03_input_read_poll.c

./03_input_read_poll /dev/input/event11
bustype = 0x3
vendor  = 0x46d
product = 0xc53f
version = 0x111
support ev type: EV_SYN  EV_KEY  EV_REL  EV_MSC
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x1, value = 0xffffffff
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0

不移动鼠标时，read函数会超时返回；移动鼠标后，可以看到很多打印信息。

“04_input_read_select.c”的效果跟“03_input_read_poll.c”是一样的，执行如下命令编译、测试：

gcc -o  04_input_read_select  04_input_read_select.c

./04_input_read_select  /dev/input/event11
bustype = 0x3
vendor  = 0x46d
product = 0xc53f
version = 0x111
support ev type: EV_SYN  EV_KEY  EV_REL  EV_MSC
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x1, value = 0xffffffff
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1

3.7 异步通知方式

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：

• 谁发：驱动程序发

• 发什么：信号

• 发什么信号：SIGIO

• 怎么发：内核里提供有函数

• 发给谁：APP，APP要把自己告诉驱动

• APP收到后做什么：执行信号处理函数

• 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：

图 7.15信号宏定义

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：

图 7.16信号函数用法

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);

执行如下命令编译、测试：

gcc -o 05_input_read_fasync  05_input_read_fasync.c

./05_input_read_fasync /dev/input/event11
bustype = 0x3
vendor  = 0x46d
product = 0xc53f
version = 0x111
support ev type: EV_SYN  EV_KEY  EV_REL  EV_MSC
main loop count = 0
get event: type = 0x2, code = 0x0, value = 0x1
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
main loop count = 1
get event: type = 0x2, code = 0x1, value = 0xffffffff
get event: type = 0x0, code = 0x0, value = 0x0
main loop count = 2

不移动鼠标时，main函数的主循环不断打印“main loop count = ...”；移动鼠标后，可以看到很多打印信息。