7.Linux 输入子系统分析

• 为什么要引入输入子系统？

在前面我们写了一些简单的字符设备的驱动程序，我们是怎么样打开一个设备并操作的呢？

一般都是在执行应用程序时，open一个特定的设备文件，如：/dev/buttons

 .....
 int main(int argc, char **argv)
 {
     unsigned char key_val;
     int ret;
     fd = open("/dev/buttons", O_RDWR); //默认为阻塞操作
     if (fd < )
     {
         printf("can't open!\n");
         return -;
     }
 ......

但是实际上，一般的应用程序不会去打开这样设备文件“/dev/buttons”。一般打开的都是系统原有的文件，如“ dev/tty* ” ,还有可能是不需要打开什么tty，
而是直接“scanf()”就去获得了按键的输入。

以前我们写一些输入设备（键盘、鼠标等）的驱动都是采用字符设备、混杂设备处理的。问题由此而来，Linux开源社区的大神们看到了这大量输入设备如此分散不堪，有木有可以实现一种机制，可以对分散的、不同类别的输入设备进行统一的驱动，所以才出现了输入子系统。

输入子系统引入的好处：

（1）统一了物理形态各异的相似的输入设备的处理功能。例如，各种鼠标，不论PS/2、USB、还是蓝牙，都被同样处理。

（2）提供了用于分发输入报告给用户应用程序的简单的事件（event）接口。你的驱动不必创建、管理/dev节点以及相关的访问方法。因此它能够很方便的调用输入API以发送鼠标移动、键盘按键，或触摸事件给用户空间。X windows这样的应用程序能够无缝地运行于输入子系统提供的event接口之上。

（3）抽取出了输入驱动的通用部分，简化了驱动，并提供了一致性。例如，输入子系统提供了一个底层驱动（成为serio）的集合，支持对串口和键盘控制器等硬件输入的访问
　　详见《精通Linux设备驱动程序开发》

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1.Linux输入子系统框架

linux输入子系统（linux input subsystem）从上到下由三层实现，分别为：

　　输入子系统事件处理层（EventHandler）

　　输入子系统核心层（InputCore）

　　输入子系统设备驱动层（input driver）

1.输入子系统设备驱动层：主要实现对硬件设备的读写访问，中断设置，并把硬件产生的事件转换为核心层定义的规范提交给事件处理层。

2.核心层：承上启下。为驱动层提供输入设备注册与操作接口，如：input_register_device;通知事件处理层对事件进行处理；在/Proc下产生相应的设备信息。

　　　　设备驱动层只要关心如何驱动硬件并获得硬件数据（例如按下的按键数据），然后调用核心层提供的接口，核心层会自动把数据提交给事件处理层。

3.事件处理层：是用户编程的接口（设备节点），并处理驱动层提交的数据处理。

　　　　（Linux中在用户空间将所有的设备都当做文件来处理，由于在一般的驱动程序中都有提供fops接口，以及在/dev下生成相应的设备文件nod，这些操作在输入子系统中由事件处理层完成）

输入子系统中有两个类型的驱动，当我们要为一个输入设备（如触摸屏）的编写驱动的时候，我们是要编写两个驱动：输入设备驱动和输入事件驱动？

答案是否定的。在子系统中，事件驱动是标准的，对所有的输入类都是可以用的，所以你更可能的是实现输入设备驱动而不是输入事件驱动。你的设备可以利用一个已经存在的，合适的输入事件驱动通过输入核心和用户应用程序接口。

输入设备都各有不同，那么输入子系统也就只能实现他们的共性，差异性则由设备驱动来实现。差异性又体现在哪里？

最直观体现在设备功能上的不同。对于驱动编写者来说，在设备驱动中就只要使用输入子系统提供的工具（也就是函数）来完成这些“差异”就行了，其他的则是输入子系统的工作。这个思想不仅存在于输入子系统，其他子系统也是一样(比如:usb子系统、video子系统等)

先分析核心层的代码 Input.c

以下转载自Linux之输入子系统分析(详解)

Input.c

在最后有一下两段：

subsys_initcall(input_init);   //修饰入口函数

module_exit(input_exit);     //修饰出口函数

可知，子系统是作为一个模块存在的。

1.先来分析入口函数input_init

 static int __init input_init(void)
 {
     int err;

     err = class_register(&input_class); //注册类，放在/sys/class
     if (err) {
         printk(KERN_ERR "input: unable to register input_dev class\n");
         return err;
     }

     err = input_proc_init(); //在/proc下建立相关文件
     if (err)
         goto fail1;

     err = register_chrdev(INPUT_MAJOR, "input", &input_fops); //注册驱动
     if (err) {
         printk(KERN_ERR "input: unable to register char major %d", INPUT_MAJOR);
         goto fail2;
     }

     return ;

  fail2:    input_proc_exit();
  fail1:    class_unregister(&input_class);
     return err;
 }

（1）上面第5行，class_register(&input_class)，是在/sys/class中创建一个input类，input_class类结构如下：

struct class input_class = {
    .name            = "input",
    .release            = input_dev_release,
    .uevent            = input_dev_uevent,
};

如下图,我们启动内核,再启动一个input子系统的驱动后，也可以看到创建了个"input"类 :

疑问：为什么在此只创建了类，却没有使用class_dev_create()函数在类下面创建驱动设备？

　　当注册了input子系统的驱动后，才会有设备驱动，此处代码没有驱动。以下会详细解释。

（2）上面第15行通过register_chrdev创建驱动设备,其中变量INPUT_MAJOR =13,所以创建了一个主设备为13的"input"设备。

然后我们来看看它的操作结构体input_fops,如下

static const struct file_operations input_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = input_open_file,
};

只有一个.open函数,比如当我们挂载一个新的input驱动,则内核便会调用该.open函数,接下来分析该.open函数

2.进入input_open_file函数(drivers/input/input.c)

 static int input_open_file(struct inode *inode, struct file *file)
  {
      struct input_handler *handler = input_table[iminor(inode) >> ]; // (1)
      const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL;
      int err;

      if (!handler || !(new_fops = fops_get(handler->fops)))  //(2)
           return -ENODEV; 

     if (!new_fops->open) {
            fops_put(new_fops);
            return -ENODEV;
     }

     old_fops = file->f_op;
     file->f_op = new_fops;     //(3)

     err = new_fops->open(inode, file);   //(4)
     if (err) {
           fops_put(file->f_op);
            file->f_op = fops_get(old_fops);
    }

    fops_put(old_fops);

     return err;
 }

(1)第3行中,其中iminor (inode)函数调用了MINOR(inode->i_rdev);读取子设备号,然后将子设备除以32,找到新挂载的input驱动的数组号,然后放在input_handler 驱动处理函数handler中

(2)第7行中,若handler有值,说明挂载有这个驱动,就将handler结构体里的成员file_operations * fops赋到新的file_operations *old_fops里面

(3)第16行中, 再将新的file_operations *old_fops赋到file-> file_operations  *f_op里, 此时input子系统的file_operations就等于新挂载的input驱动的file_operations结构体,实现一个偷天换日的效果.

(4)第18行中,然后调用新挂载的input驱动的*old_fops里面的成员.open函数

3.上面代码的input_table[]数组在初始时是没有值的,

所以我们来看看input_table数组里面的数据又是在哪个函数里被赋值

在input.c函数(drivers/input/input.c)中搜索input_table,找到它在input_register_handler()函数中被赋值,代码如下:

int input_register_handler(struct input_handler *handler)
{
... ...
input_table[handler->minor >> ] = handler;    //input_table[]被赋值
... ...
list_add_tail(&handler->node, &input_handler_list); //然后将这个input_handler放到input_handler_list链表中
... ...

　list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node) //对于每一个input_dev,调用input_attach_handler
　　　input_attach_handler(dev, handler);　　//根据input_handler的id_table判断能否支持这个input_dev

}

就是将驱动处理程序input_handler注册到input_table[]中，然后放在input_handler_list链表中,后面会讲这个链表

4.继续来搜索input_register_handler,看看这个函数被谁来调用

如下图所示,有evdev.c(事件设备)，tsdev.c(触摸屏设备)，joydev.c(joystick操作杆设备)，keyboard.c(键盘设备)，mousedev.c(鼠标设备) 这5个内核自带的设备处理函数注册到input子系统中

以evdev.c为例,它在evdev_ini()函数中注册:

static int __init evdev_init(void)
{
       return input_register_handler(&evdev_handler);  //注册
}

5.我们来看看这个evdev_handler变量是什么结构体,:

 static struct input_handler evdev_handler = {
        .event =  evdev_event,
        .connect =      evdev_connect,  //(4)
        .disconnect = evdev_disconnect,
        .fops =           &evdev_fops,    //(1)
        .minor =  EVDEV_MINOR_BASE, //(2)
        .name =         "evdev",
        .id_table =      evdev_ids, //(3)
 };

就是我们之前看的input_handler驱动处理结构体

(1) 第5行中.fops:文件操作结构体,其中evdev_fops函数就是自己的写的操作函数,然后赋到.fops中

(2)第6行中 .minor:用来存放次设备号

其中EVDEV_MINOR_BASE=64, 然后调用input_register_handler(&evdev_handler)后,由于EVDEV_MINOR_BASE/32=2,所以存到input_table[2]中

所以当open打开这个input设备,就会进入 input_open_file()函数,执行evdev_handler-> evdev_fops -> .open函数,如下所示:

 static const struct file_operations evdev_fops = {
     .owner =    THIS_MODULE,
     .read  =    evdev_read,
     .write =    evdev_write,
     .poll  =    evdev_poll,
     .open  =    evdev_open,
     .release =  evdev_release,
     .unlocked_ioctl = evdev_ioctl,
 #ifdef CONFIG_COMPAT
     .compat_ioctl =    evdev_ioctl_compat,
 #endif
     .fasync =    evdev_fasync,
     .flush  =    evdev_flush
 };

(3)第8行中.id_table : 表示能支持哪些输入设备，比如某个驱动设备的input_dev->的id和某个input_handler的id_table相匹配，就会调用.connect连接函数,如下图

(4)第3行中.connect:连接函数，将设备input_dev和某个input_handler建立连接,如下图

6.我们先来看看上图的input_register_device()函数,如何创建驱动设备的

搜索input_register_device,发现内核自己就已经注册了很多驱动设备

　6.1然后进入input_register_device()函数,代码如下:

 int input_register_device(struct input_dev *dev)   //*dev:要注册的驱动设备
 {
  ... ...
        list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list);   //(1)放入链表中
  ... ...
        list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node)  //(2)
        　　input_attach_handler(dev, handler);
  ... ...
 }

(1)第4行中,将要注册的input_dev驱动设备放在input_dev_list链表中

(2)第6行中,其中input_handler_list在前面讲过,就是存放每个input_handle驱动处理结构体,

然后list_for_each_entry()函数会将每个input_handle从链表中取出,放到handler中

最后会调用input_attach_handler()函数,将每个input_handle的id_table进行判断,若两者支持便进行连接。

　　6.2然后我们在回过头来看注册input_handler的input_register_handler()函数,如下图所示

在input.c中

 int input_register_handler(struct input_handler *handler)
 {
     struct input_dev *dev;

     INIT_LIST_HEAD(&handler->h_list);

     if (handler->fops != NULL) {
         if (input_table[handler->minor >> ])
             return -EBUSY;

         input_table[handler->minor >> ] = handler; //放入数组
     }

     list_add_tail(&handler->node, &input_handler_list); //放入链表
 　　　　
     list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node)　　//对于每一个input_dev,调用input_attach_handler
         input_attach_handler(dev, handler);

     input_wakeup_procfs_readers();
     return ;

所以,不管新添加input_dev还是input_handler,都会进入input_attach_handler()判断两者id是否有支持, 若两者支持便进行连接

　　6.3我们来看看input_attach_handler()如何实现匹配两者id的:

 static int input_attach_handler(struct input_dev *dev, struct input_handler *handler)
 {
 ... ...
 id = input_match_device(handler->id_table, dev);  //匹配两者

 if (!id)                                     //若不匹配,return退出
 return -ENODEV; 

 error = handler->connect(handler, dev, id);  //调用input_handler ->connect函数建立连接
 ... ...

 }

根据input_handler的id_table判断能否支持这个input_dev
如果能支持，则调用input_handler的connect函数建立“连接”

7.以evdev.c(事件驱动) 的evdev_handler->connect函数来分析是怎样建立连接的,如下:

 static struct input_handler evdev_handler = {
        .event   =    evdev_event,
        .connect =    evdev_connect, 
        .disconnect = evdev_disconnect,
        .fops  =          &evdev_fops,
        .minor =  EVDEV_MINOR_BASE,
        .name  =         "evdev",
        .id_table =       evdev_ids,
 };

　　7.1 evdev_handler的.connect函数是evdev_connect(),代码如下:

 static int evdev_connect(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev, const struct input_device_id *id)
 {
 ... ...
 for (minor = ; minor < EVDEV_MINORS && evdev_table[minor]; minor++); //查找驱动设备的子设备号
     if (minor == EVDEV_MINORS) {  // EVDEV_MINORS=32,所以该事件下的驱动设备最多存32个,
         printk(KERN_ERR "evdev: no more free evdev devices\n");
         return -ENFILE;                //没找到驱动设备
     }
  ... ...
  evdev = kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL);   //分配一个input_handle全局结构体(没有r)
  ... ...
  evdev->handle.dev = dev;            //指向参数input_dev驱动设备
 evdev->handle.name = evdev->name;
 evdev->handle.handler = handler;    //指向参数 input_handler驱动处理结构体
 evdev->handle.private = evdev;
 sprintf(evdev->name, "event%d", minor);    //(1)保存驱动设备名字, event%d
 ... ...
 devt = MKDEV(INPUT_MAJOR, EVDEV_MINOR_BASE + minor),  //(2) 将主设备号和次设备号转换成dev_t类型
 cdev = class_device_create(&input_class, &dev->cdev, devt,dev->cdev.dev, evdev->name);
                                                            // (3)在input类下创建驱动设备

 ... ...
 error = input_register_handle(&evdev->handle); //(4)注册这个input_handle结构体

 ... ...
 }

(1) 第16行中,是在保存驱动设备名字,名为event%d, 比如下图(键盘驱动)event1: 因为没有设置子设备号，默认从小到大排列,其中event0是表示这个input子系统,所以这个键盘驱动名字就是event1

(2)第18行中,是在保存驱动设备的主次设备号,其中主设备号INPUT_MAJOR=13,因为EVDEV_MINOR_BASE=64,所以此设备号=64+驱动程序本事子设备号, 比如下图(键盘驱动)event1:  主次设备号就是13,65

(3)在之前在2小结里就分析了input_class类结构，所以第19行中,会在/sys/class/input类下创建驱动设备event%d，比如下图(键盘驱动)event1:

(4)最终会进入input_register_handle()函数来注册,代码在下面

　

　7.2 input_register_handle()函数如下:

 int input_register_handle(struct input_handle *handle)
 {
       struct input_handler *handler = handle->handler; //handler= input_handler驱动处理结构体 

       list_add_tail(&handle->d_node, &handle->dev->h_list); //(1)
       list_add_tail(&handle->h_node, &handler->h_list);    // (2)

       if (handler->start)
              handler->start(handle);
       return ;
 }

(1)在第5行中, 因为handle->dev指向input_dev驱动设备,所以就是将handle->d_node放入到input_dev驱动设备的h_list链表中,

即input_dev驱动设备的h_list链表就指向handle->d_node

(2) 在第6行中, 同样, input_handler驱动处理结构体的h_list也指向了handle->h_node

最终如下图所示:

两者的.h_list都指向了同一个handle结构体，然后通过.h_list 来找到handle的成员.dev和handler,便能找到对方,便建立了连接

8.建立了连接后，又如何读取evdev.c(事件驱动) 的evdev_handler->.fops->.read函数？

事件驱动的.read函数是evdev_read()函数,我们来分析下:

 static ssize_t evdev_read(struct file *file, char __user *      buffer, size_t count, loff_t *ppos)
 {
  ... ...
 /*判断应用层要读取的数据是否正确*/
 if (count < evdev_event_size())
 return -EINVAL;

 /*在非阻塞操作情况下,若client->head == client->tail|| evdev->exist时(没有数据),则return返回*/
  if (client->head == client->tail && evdev->exist && (file->f_flags & O_NONBLOCK))
 return -EAGAIN;

 /*若client->head == client->tail|| evdev->exist时(没有数据),等待中断进入睡眠状态  */
   retval = wait_event_interruptible(evdev->wait,client->head != client->tail || !evdev->exist);

   ... ...           //上传数据

 }

9.若read函数进入了休眠状态，又是谁来唤醒？

我们搜索这个evdev->wait这个等待队列变量,找到evdev_event函数里唤醒:

static void evdev_event(struct input_handle *handle, unsigned int type, unsigned int code, int value)
{
... ...
 wake_up_interruptible(&evdev->wait);   //有事件触发，便唤醒等待中断
}

其中evdev_event()是evdev.c(事件驱动) 的evdev_handler->.event成员,如下所示:

 static struct input_handler evdev_handler = {
        .event   =    evdev_event,
        .connect =    evdev_connect,
        .disconnect = evdev_disconnect,
        .fops  =          &evdev_fops,
        .minor =  EVDEV_MINOR_BASE,
        .name  =         "evdev",
        .id_table =       evdev_ids,
 };

当有事件发生了,比如对于按键驱动,当有按键按下时,就会进入.event函数中处理事件

10.分析下,是谁调用evdev_event()这个.event事件驱动函数

猜测：硬件相关的代码（input_dev那层）--中断处理函数

来看看内核 gpio_keys_isr()函数代码例子就知道了 (driver/input/keyboard/gpio_key.c)

 static irqreturn_t gpio_keys_isr(int irq, void *dev_id)
 {
  /*获取按键值,赋到state里*/
  ... ...

 /*上报事件*/
 input_event(input, type, button->code, !!state);
 input_sync(input);                        //同步信号通知,表示事件发送完毕
 }

显然就是通过input_event()来调用.event事件函数,我们来看看:

 void input_event(struct input_dev *dev, unsigned int type, unsigned int code, int value)
 {
 struct input_handle *handle;
 ... ...

 /* 通过input_dev ->h_list链表找到input_handle驱动处理结构体*/
 list_for_each_entry(handle, &dev->h_list, d_node)
 if (handle->open)  //如果input_handle之前open 过,那么这个就是我们的驱动处理结构体
     handle->handler->event(handle, type, code, value); //调用evdev_event()的.event事件函数 

 }

若之前驱动input_dev和处理input_handler已经通过input_handler 的.connect函数建立起了连接,那么就调用evdev_event()的.event事件函数，如下图所示:

11.本节总结分析:

1.注册输入子系统,进入input_init():

1)创建主设备号为13的"input"字符设备

err = register_chrdev(INPUT_MAJOR, "input", &input_fops);

2.open打开驱动,进入input_open_file():

1)更新设备的file_oprations

file->f_op=fops_get(handler->fops);

2)执行file_oprations->open函数

err = new_fops->open(inode, file);

3.注册input_handler,进入input_register_handler():

1)添加到input_table[]处理数组中

input_table[handler->minor >> ] = handler;

2）添加到input_handler_list链表中

list_add_tail(&handler->node, &input_handler_list);

3)判断input_dev的id,是否有支持这个驱动的设备

list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node)   //遍历查找input_dev_list链表里所有input_dev

 input_attach_handler(dev, handler);             //判断两者id,若两者支持便进行连接。

4.注册input_dev，进入input_register_device():

1)放在input_dev_list链表中

list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list);

2)判断input_handler的id，是否有支持这个设备的驱动

list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node)  //遍历查找input_handler_list链表里所有input_handler
input_attach_handler(dev, handler);                      //判断两者id,若两者支持便进行连接。

5.判断input_handler和input_dev的id,进入input_attach_handler():

1）匹配两者id,

input_match_device(handler->id_table, dev);        //匹配input_handler和dev的id,不成功退出函数

2)匹配成功调用input_handler ->connect

handler->connect(handler, dev, id);              //建立连接

6.建立input_handler和input_dev的连接，进入input_handler->connect():

1)创建全局结构体,通过input_handle结构体连接双方

evdev = kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL);    //创建两者连接的input_handle全局结构体
list_add_tail(&handle->d_node, &handle->dev->h_list); //连接input_dev->h_list
list_add_tail(&handle->h_node, &handler->h_list);    // 连接input_handle->h_list

7.有事件发生时,比如按键中断,在中断函数中需要进入input_event()上报事件:

1)找到驱动处理结构体，然后执行input_handler->event()

list_for_each_entry(handle, &dev->h_list, d_node)     // 通过input_dev ->h_list链表找到input_handle驱动处理结构体
if (handle->open)  //如果input_handle之前open 过,那么这个就是我们的驱动处理结构体(有可能一个驱动设备在不同情况下有不同的驱动处理方式)
    handle->handler->event(handle, type, code, value); //调用evdev_event()的.event事件函数