【驱动】input子系统全面分析

初识linux输入子系统

　　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）和输入子系统设备驱动层。

1. 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：为设备驱动层提供了规范和接口。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：则是用户编程的接口（设备节点），并处理驱动层提交的数据处理。

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input输入子系统框架分析

　　输入子系统由输入子系统核心层（ Input Core ），驱动层和事件处理层（Event Handler）三部份组成。

　　一个输入事件，如鼠标移动，键盘按键按下，joystick的移动等等通过 input driver -> Input core -> Event handler -> userspace 到达用户空间传给应用程序。

1.系统核心层

　　主要功能

1. 注册主设备号
2. 对于swi进入的open函数进行第一层处理，并通过次设备号选择handler进入第二层open，也就是真正的open所在的file_operation,并返回该file_opration的fd
3. 提供input_register_device跟input_register_handler函数分别用于注册device跟handler

2.handler层（事件处理层）

　　handler层是纯软件层，包含不同的解决方案，如键盘，鼠标，游戏手柄等，但是没有设计到硬件方面的操作

　　对于不同的解决方案，都包含一个名为input_handler的结构体，该结构体内含的主要成员如下

　　　　.id_table　　　一个存放该handler所支持的设备id的表（其实内部存放的是EV_xxx事件,用于判断device是否支持该事件）

　　　　.fops　　　　　该handler的file_operation

　　　　.connect　　　连接该handler跟所支持device的函数

　　　　.disconnect　　断开该连接

　　　　.event　　　　事件处理函数，让device调用

　　　　h_list　　　　也是一个链表，该链表保存着该handler到所支持的所有device的中间站：handle结构体的指针

3.device层（驱动层）

　　device是纯硬件操作层，包含不同的硬件接口处理，如gpio等

　　对于每种不同的具体硬件操作，都对应着不同的input_dev结构体

　　该结构体内部也包含着一个h_list

4：input_handler_list和input_device_list

　　对于handler和device，分别用链表input_handler_list和input_device_list进行维护，

　　当handler或者device增加或减少的时候，分别往这两链表增加或删除节点。

5.input子系统框架图

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input子系统调用过程分析

　　1.当外部应用程序需要调用输入子系统的open函数时，会先通过主设备号进入到核心层，然后通过次设备号进入handler层，再调用.fops内的open函数返回fd；

　　2.当外部应用程序需要调用输入子系统的read函数时，会通过返回的fd调用.fop内的read函数，然后休眠，等待被.event函数唤醒

　　3.当外部中断到达的时候，会先确定中断事件，然后用input_event上报事件，再通过h_list里面的所有handle调用对应的handler中的.event函数，对read进行唤醒，然后在read中返回（也就是当device有多个对应的handler的时候,input_event会向所有的handler上报事件）

　　4.当需要加入新的handler时，需要先构建handler结构体，然后调用input_register_handler对该handler进行注册

　　input_register_handler的内部实现：往input_handler_list加入新增的handler节点，然后对input_device_list的所有结点（也就是所有的device）进行遍历，通过.id_table查看该device是否支持该handler,对支持的device调用.connect,一一地构建input_handle结构体,连接handler跟device

　　5.当需要加入新的device时，需要先构建input_dev结构体，然后调用input_register_device对该input_dev进行注册

　　

　　input_register_dev的内部实现：往input_device_list加入新增的device节点，然后对input_handler_list的所有结点（也就是所有的handler）进行遍历，通过handler　的.id_table查看该handler是否支持该device,对支持的device调用该handler的.connect,一一地构建input_handle结构体,连接handler跟device

　　在输入子系统框架下，我们一般的编写驱动也就是对device部分进行编写（分配input_dev并配置，驱动入口，出口，中断时进行中断判断，然后上报事件等），然后对该device的input_dev进行注册

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Input输入子系统数据结构分析

input_dev

　　input_dev 这是input设备基本的设备结构，每个input驱动程序中都必须分配初始化这样一个结构，成员比较多

　　（1）有以下几个数组：

    unsigned long evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)];   //事件支持的类型
     // 下面是每种类型支持的编码
    unsigned long keybit[BITS_TO_LONGS(KEY_CNT)];   //按键
    unsigned long relbit[BITS_TO_LONGS(REL_CNT)];
    unsigned long absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)];   //绝对坐标，其中触摸屏驱动使用的就是这个
    unsigned long mscbit[BITS_TO_LONGS(MSC_CNT)];
    unsigned long ledbit[BITS_TO_LONGS(LED_CNT)];
    unsigned long sndbit[BITS_TO_LONGS(SND_CNT)];
    unsigned long ffbit[BITS_TO_LONGS(FF_CNT)];
    unsigned long swbit[BITS_TO_LONGS(SW_CNT)];  

　　evbit[BITS_TO_LONGS(EV_CNT)]; 这个数组以位掩码的形式，代表了这个设备支持的事件的类型。

　　设置方式：
　　dev->evbit[0] = BIT(EV_SYN) | BIT(EV_KEY) | BIT(EV_ABS)
　　absbit[BITS_TO_LONGS(ABS_CNT)]; 这个数组也是以位掩码的形式，代表这个类型的事件支持的编码
　　触摸屏驱动支持EV_ABS,所以要设置这个数组， 有一个专门设置这个数组的函数input_set_abs_params

static inline void input_set_abs_params(struct input_dev *dev, int axis, int min, int max, int fuzz, int flat)
{
    dev->absmin[axis] = min;
    dev->absmax[axis] = max;
    dev->absfuzz[axis] = fuzz;
    dev->absflat[axis] = flat;  

    dev->absbit[BIT_WORD(axis)] |= BIT_MASK(axis);  //填充了absbit这个数组
}  

　　触摸屏驱动中是这样调用的

　　input_set_abs_params(dev, ABS_X, 0, 0x3FF, 0, 0)；   //这个是设置ad转换的x坐标
　　input_set_abs_params(dev, ABS_Y, 0, 0x3FF, 0, 0);   //这个是设置ad转换的y坐标
　　input_set_abs_params(dev, ABS_PRESSURE, 0, 1, 0, 0); //这个是设置触摸屏是否按下的标志
　　设置ABS_X编码值范围为0-0x3ff，因为mini2440的AD转换出的数据最大为10位，所以不会超过0x3ff。

　（2） struct input_id id 成员
　　这个是标识设备驱动特征的

struct input_id {
    __u16 bustype;   //总线类型
    __u16 vendor;    //生产厂商
    __u16 product;   //产品类型
    __u16 version;   //版本
 }; 

　　如果需要特定的事件处理器来处理这个设备的话，这几个就非常重要，因为子系统核心是通过他们，将设备驱动与事件处理层联系起来的。但是因为触摸屏驱动所用的事件处理器为evdev，匹配所有，所有这个初始化也无关紧要。

input_handler

　　input_handler 这是事件处理器的数据结构，代表一个事件处理器

　　（1）几个操作函数

    void (*event)(struct input_handle *handle, unsigned int type, unsigned int code, int value);
    int (*connect)(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev, const struct input_device_id *id);
    void (*disconnect)(struct input_handle *handle);
    void (*start)(struct input_handle *handle);

　　event 函数是当事件处理器接收到了来自input设备传来的事件时调用的处理函数，负责处理事件，非常重要。
　　connect 函数是当一个input设备模块注册到内核的时候调用的，将事件处理器与输入设备联系起来的函数，也就是将input_dev和input_handler配对的函数。
　　disconnect 函数实现connect相反的功能。

　　（2） 两个id

　　const struct input_device_id *id_table; //这个是事件处理器所支持的input设备
　　const struct input_device_id *blacklist; //这个是事件处理器应该忽略的input设备

　　这两个数组都会用在connect函数中，input_device_id结构与input_id结构类似，但是input_device_id有一个flag，用来让程序选择比较哪项，如：busytype,vendor还是其他。

　　（3） 两个链表

    struct list_headh_list;  //这个链表用来链接他所支持的input_handle结构,input_dev与input_handler配对之后就会生成一个input_handle结构
    struct list_headnode;    //链接到input_handler_list，这个链表链接了所有注册到内核的事件处理器

input_handle

　　input_handle 结构体代表一个成功配对的input_dev和input_handler

struct input_handle {
    void *private;   //每个配对的事件处理器都会分配一个对应的设备结构，如evdev事件处理器的evdev结构，注意这个结构与设备驱动层的input_dev不同，初始化handle时，保存到这里。
    int open;        //打开标志，每个input_handle 打开后才能操作，这个一般通过事件处理器的open方法间接设置
    const char *name;
    struct input_dev *dev;  //关联的input_dev结构
    struct input_handler *handler; //关联的input_handler结构
    struct list_head    d_node;  //input_handle通过d_node连接到了input_dev上的h_list链表上
    struct list_head    h_node;  //input_handle通过h_node连接到了input_handler的h_list链表上
};  

三个数据结构之间的关系

　　input_dev 是硬件驱动层，代表一个input设备
　　input_handler 是事件处理层，代表一个事件处理器
　　input_handle 属于核心层，代表一个配对的input设备与input事件处理器
　　input_dev 通过全局的input_dev_list链接在一起。设备注册的时候实现这个操作。
　　input_handler 通过全局的input_handler_list链接在一起。事件处理器注册的时候实现这个操作（事件处理器一般内核自带，一般不需要我们来写）

　　input_hande 没有一个全局的链表，它注册的时候将自己分别挂在了input_dev 和 input_handler 的h_list上了。

　　通过input_dev 和input_handler就可以找到input_handle 在设备注册和事件处理器， 注册的时候都要进行配对工作，配对后就会实现链接。

　　通过input_handle也可以找到input_dev和input_handler。

补充两个结构体

　　（1） evdev设备结构

struct evdev {
    int exist;
    int open;           //打开标志
    int minor;          //次设备号
    struct input_handle handle;  //关联的input_handle
    wait_queue_head_t wait;      //等待队列，当进程读取设备，而没有事件产生的时候，进程就会睡在其上面
    struct evdev_client *grab;   //强制绑定的evdev_client结构，这个结构后面再分析
    struct list_head client_list;  //evdev_client 链表，这说明一个evdev设备可以处理多个evdev_client，可以有多个进程访问evdev设备
    spinlock_t client_lock; /* protects client_list */
    struct mutex mutex;
    struct device dev;       //device结构，说明这是一个设备结构
};  

　　evdev结构体在配对成功的时候生成，由handler->connect生成，对应设备文件为/class/input/event(n)。

　　如触摸屏驱动的event0，这个设备是用户空间要访问的设备，可以理解它是一个虚拟设备，因为没有对应的硬件，但是通过handle->dev 就可以找到input_dev结构，而它对应着触摸屏，设备文件为/class/input/input0。这个设备结构生成之后保存在evdev_table中，索引值是minor

　　（2） evdev用户端结构

struct evdev_client {
    struct input_event buffer[EVDEV_BUFFER_SIZE];
        //这个是一个input_event数据结构的数组，input_event代表一个事件，基本成员：类型（type），编码（code），值（value）
    int head;              //针对buffer数组的索引
    int tail;              //针对buffer数组的索引，当head与tail相等的时候，说明没有事件
    spinlock_t buffer_lock; /* protects access to buffer, head and tail */
    struct fasync_struct *fasync;  //异步通知函数
    struct evdev *evdev;           //evdev设备
    struct list_head node;         // evdev_client 链表项
};  

　　这个结构在进程打开event0设备的时候调用evdev的open方法，在open中创建这个结构，并初始化。在关闭设备文件的时候释放这个结构。

Input输入子系统数据结构关系图

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input输入子系统主要函数分析

各种注册函数

　　每种数据结构都代表一类对象，所以每种数据结构都会对应一个注册函数，他们都定义在子系统核心的input.c文件中。

　　主要有三个注册函数

     input_register_device    //向内核注册一个input设备
     input_register_handle    //向内核注册一个handle结构
     input_register_handler   //注册一个事件处理器

1.input_register_device

　　input_register_device 注册一个input输入设备，这个注册函数在三个注册函数中是驱动程序唯一调用的。

 int input_register_device(struct input_dev *dev)
 {
     static atomic_t input_no = ATOMIC_INIT();
         //这个原子变量，代表总共注册的input设备，每注册一个加1，因为是静态变量，所以每次调用都不会清零的
     struct input_handler *handler;
     const char *path;
     int error;  

     __set_bit(EV_SYN, dev->evbit);  //EN_SYN 这个是设备都要支持的事件类型，所以要设置  

     /*
      * If delay and period are pre-set by the driver, then autorepeating
      * is handled by the driver itself and we don't do it in input.c.
      */
         // 这个内核定时器是为了重复按键而设置的
     init_timer(&dev->timer);
     if (!dev->rep[REP_DELAY] && !dev->rep[REP_PERIOD]) {
         dev->timer.data = (long) dev;
         dev->timer.function = input_repeat_key;
         dev->rep[REP_DELAY] = ;
         dev->rep[REP_PERIOD] = ;
         //如果没有定义有关重复按键的相关值，就用内核默认的
     }  

     if (!dev->getkeycode)
         dev->getkeycode = input_default_getkeycode;
     if (!dev->setkeycode)
         dev->setkeycode = input_default_setkeycode;
         //以上设置的默认函数由input核心提供
     dev_set_name(&dev->dev, "input%ld",
              (unsigned long) atomic_inc_return(&input_no) - );
         //设置input_dev中device的名字，这个名字会在/class/input中出现
     error = device_add(&dev->dev);
         //将device加入到linux设备模型中去
     if (error)
         return error;  

     path = kobject_get_path(&dev->dev.kobj, GFP_KERNEL);
     printk(KERN_INFO "input: %s as %s\n",
         dev->name ? dev->name : "Unspecified device", path ? path : "N/A");
     kfree(path);
         //这个得到路径名称，并打印出来
     error = mutex_lock_interruptible(&input_mutex);
     if (error) {
         device_del(&dev->dev);
         return error;
     }  

     list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list);
         // 将新分配的input设备连接到input_dev_list链表上
     list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node)
         input_attach_handler(dev, handler);
         //遍历input_handler_list链表，配对 input_dev 和 input_handler
         //input_attach_handler 这个函数是配对的关键
     input_wakeup_procfs_readers();
         // 和proc文件系统有关
     mutex_unlock(&input_mutex);  

     return ;
    }  

　　input_register_device完成的主要功能就是：初始化一些默认的值，将自己的device结构添加到linux设备模型当中，将input_dev添加到input_dev_list链表中，然后寻找合适的handler与input_handler配对,配对的核心函数是input_attach_handler。

　　下面看看input_attach_handler函数

 static int input_attach_handler(struct input_dev *dev, struct input_handler *handler)
 {
     const struct input_device_id *id;
     int error;  

     if (handler->blacklist && input_match_device(handler->blacklist, dev))
         return -ENODEV;
         //blacklist是handler因该忽略的input设备类型，如果应该忽略的input设备也配对上了，那就出错了
     id = input_match_device(handler->id_table, dev);
         //这个是主要的配对函数，主要比较id中的各项
     if (!id)
         return -ENODEV;  

     error = handler->connect(handler, dev, id);
         //配对成功调用handler的connect函数，这个函数在事件处理器中定义，主要生成一个input_handle结构，并初始化，还生成一个事件处理器相关的设备结构
     if (error && error != -ENODEV)
         printk(KERN_ERR
             "input: failed to attach handler %s to device %s, "
             "error: %d\n",
             handler->name, kobject_name(&dev->dev.kobj), error);
         //出错处理
     return error;
  }  

　　input_attach_handler的主要功能就是调用了两个函数，一个input_match_device进行配对，一个connect处理配对成功后续工作。

　　下面看看input_match_device函数

 static const struct input_device_id *input_match_device(const struct input_device_id *id,
                             struct input_dev *dev)
 {
     int i;
         //函数传入的参数是所要配对handler的id_table，下面遍历这个id_table寻找合适的id进行配对
     for (; id->flags || id->driver_info; id++) {
         if (id->flags & INPUT_DEVICE_ID_MATCH_BUS)
             if (id->bustype != dev->id.bustype)
                 continue;
                 ......
                 //针对handler->id->flag，比较不同的类型
                 //如果比较成功进入下面的宏，否则进入下一个id
                 MATCH_BIT(evbit,  EV_MAX);
             ......
         MATCH_BIT(swbit,  SW_MAX);  

         return id;
     }
  }  

　　此函数主要是比较input_dev中的id和handler支持的id,这个存放在handler的id_table中。

　　首先看id->driver_info有没有设置，如果设置了说明它匹配所有的id，evdev就是这个样的handler
　　然后依据id->flag来比较内容，如果都比较成功进入MATCH_BIT，这个宏是用来按位进行比较的，功能是比较所支持事件的类型，只有所有的位都匹配才成功返回，否则进行下一个id的比较。

 #define MATCH_BIT(bit, max) \
 for (i = ; i < BITS_TO_LONGS(max); i++) \
     if ((id->bit[i] & dev->bit[i]) != id->bit[i]) \
         break; \
 if (i != BITS_TO_LONGS(max)) \
     continue;  

　　这个宏对于每种事件类型，以及每种事件类型支持的编码所有的位都比较一次，看handler的id是否支持，如果有一个不支持就不会比较成功，进入下一个id进行比较。
　　对于connect函数，每种事件处理器的实现都有差异，但原理都相同。

　　因为触摸屏用的事件处理器为evdev，下面看看evdev的connect函数evdev_connect

 static int evdev_connect(struct input_handler *handler, struct input_dev *dev,
              const struct input_device_id *id)
 {
         //此函数传入三个参数，分别是：handler，dev,id
     struct evdev *evdev;
     int minor;
     int error;  

     for (minor = ; minor < EVDEV_MINORS; minor++)
         if (!evdev_table[minor])
             break;
         //EVDEV_MINORS为32，说明evdev这个handler可以同时有32个输入设备和他配对，evdev_table中以minor（非次设备号，但是有一个换算关系）存放evdev结构体，后面要详细分析这个结构体
     if (minor == EVDEV_MINORS) {
         printk(KERN_ERR "evdev: no more free evdev devices\n");
         return -ENFILE;
     }
         //这个说明32个位置全都被占用了，连接失败
     evdev = kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL);
         //分配一个evdev结构体，这个结构体是evdev事件处理器特有的，后面会详细分析
     if (!evdev)
         return -ENOMEM;  

     INIT_LIST_HEAD(&evdev->client_list);
     spin_lock_init(&evdev->client_lock);
     mutex_init(&evdev->mutex);
     init_waitqueue_head(&evdev->wait);
         //初始化结构体的一些成员
     dev_set_name(&evdev->dev, "event%d", minor);
         //这个是设置evdev中device的名字，他将出现在/class/input中。
         //前面也有一个device是input_dev的，名字是input（n），注意与他的不同
         //这个结构是配对后的虚拟设备结构，没有对应的硬件，但是通过它可以找到相关的硬件
     evdev->exist = ;
     evdev->minor = minor;  

     evdev->handle.dev = input_get_device(dev);
     evdev->handle.name = dev_name(&evdev->dev);
     evdev->handle.handler = handler;
     evdev->handle.private = evdev;
         //因为evdev中包含handle了，所以初始化它就可以了，这样就连接了input_handler与input_dev
     evdev->dev.devt = MKDEV(INPUT_MAJOR, EVDEV_MINOR_BASE + minor); //注意：这个minor不是真正的次设备号，还要加上EVDEV_MINOR_BASE
     evdev->dev.class = &input_class;
     evdev->dev.parent = &dev->dev;
         //配对生成的device，父设备是与他相关连的input_dev
     evdev->dev.release = evdev_free;
     device_initialize(&evdev->dev);  

     error = input_register_handle(&evdev->handle);
         //注册handle结构体,这个函数后面详细分析
     if (error)
         goto err_free_evdev;  

     error = evdev_install_chrdev(evdev);
         //这个函数只做了一件事，就是把evdev结构保存到evdev_table中，这个数组也minor为索引
     if (error)
         goto err_unregister_handle;  

     error = device_add(&evdev->dev);
         //注册到linux设备模型中
     if (error)
         goto err_cleanup_evdev;  

     return ;  

   err_cleanup_evdev:
     evdev_cleanup(evdev);
   err_unregister_handle:
     input_unregister_handle(&evdev->handle);
   err_free_evdev:
     put_device(&evdev->dev);
     return error;
 }

　　evdev_connect函数做配对后的善后工作，分配一个evdev结构体，并初始化相关成员，evdev结构体中有input_handle结构，初始化并注册之。

2.input_register_handle

　　input_register_handle 注册一个input_handle结构体，比较简单

 int input_register_handle(struct input_handle *handle)
 {
     struct input_handler *handler = handle->handler;
     struct input_dev *dev = handle->dev;
     int error;  

     /*
      * We take dev->mutex here to prevent race with
      * input_release_device().
      */
     error = mutex_lock_interruptible(&dev->mutex);
     if (error)
         return error;
     list_add_tail_rcu(&handle->d_node, &dev->h_list);
         //将handle的d_node，链接到其相关的input_dev的h_list链表中
     mutex_unlock(&dev->mutex);  

     list_add_tail(&handle->h_node, &handler->h_list);
         //将handle的h_node，链接到其相关的input_handler的h_list链表中
     if (handler->start)
         handler->start(handle);  

     return ;
 }  

　　这个函数基本没做什么事，就是把一个handle结构体通过d_node链表项，分别链接到input_dev的h_list,input_handler的h_list上。

　　以后通过这个h_list就可以遍历相关的input_handle了。

3. input_register_handler

　　input_register_handler 注册一个input_handler结构体

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

     retval = mutex_lock_interruptible(&input_mutex);
     if (retval)
         return retval;  

     INIT_LIST_HEAD(&handler->h_list);  

     if (handler->fops != NULL) {
         if (input_table[handler->minor >> ]) {
             retval = -EBUSY;
             goto out;
         }
         input_table[handler->minor >> ] = handler;
     }
         //input_table，每个注册的handler都会将自己保存到这里，索引值为handler->minor右移5为，也就是除以32
         //为什么会这样呢，因为每个handler都会处理最大32个input_dev，所以要以minor的32为倍数对齐,这个minor是传进来的handler的MINOR_BASE
         //每一个handler都有一个这一个MINOR_BASE，以evdev为例,EVDEV_MINOR_BASE = 64,可以看出系统总共可以注册8个handler
     list_add_tail(&handler->node, &input_handler_list);
         //连接到input_handler_list链表中
     list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node)
         input_attach_handler(dev, handler);
         //又是配对，不过这次遍历input_dev，和注册input_dev过程一样的
     input_wakeup_procfs_readers();  

  out:
     mutex_unlock(&input_mutex);
     return retval;
 }  

　　这个函数其实和input_register_device大同小异，都是注册，都要配对。

4.函数调用流程

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input输入子系统事件处理机制

　　作为输入设备的驱动开发者，需要做以下几步：

1. 在驱动加载模块中，设置你的input设备支持的事件类型，类型参见表1设置
2. 注册中断处理函数，例如键盘设备需要编写按键的抬起、放下，触摸屏设备需要编写按下、抬起、绝对移动，鼠标设备需要编写单击、抬起、相对移动，并且需要在必要的时候提交硬件数据（键值/坐标/状态等等）
3. 将输入设备注册到输入子系统中

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参考文章

http://blog.chinaunix.net/uid/26620753.html

http://blog.csdn.net/ielife/article/details/7798952