有限状态机的嵌入式Linux按键驱动设计

    0 引言

　　一般的按键驱动程序通常非常简单。在程序中一旦检测到按键输入口为低电平时，就采用软件延时10 ms后再次检测按键输入口。如果仍然是低电平则表示有按键按下，便转入执行按键处理程序；否则，当按键输入口为高电平，就会放弃本次按键的检测，重新开始一次按键检测过程。这种方式不仅由于采用了软件延时而使得MCU的效率降低，同时也不容易同系统中其他功能模块协调工作，且系统的实时性也差。本文把单个按键作为一个简单的系统，根据状态机的原理对其动作的操作和确认的过程进行分析，并用状态图表示出来，然后根据状态图编写出按键接口程序。

　　1 基于状态机的简单按键驱动设计

　　在一个嵌入式系统中，按键的操作是随机的。为了提高CPU的工作效率，在设计按键驱动的时候，利用S3C2440的外部中断来实现对按键的处理。很明显，系统的输入信号与按键连接的I／O口电平，“1”表示按键处于开放状态，“0”表示按键处于闭合状态。而系统的输出信号则表示检测和确认到一次按键的闭合操作，用“1”表示。

　　图1给出了一个简单按键状态机的状态转换图。

　　在图中，将1次按键完整的操作分解为3个状态。其中，状态0为按键的初始状态，当按键输入为“1”时，表示按键处于开放，输出“0”（I／0），下一状态仍为状态0；当按键输入为“0”时，表示按键闭合，但输出还是“0”（没有经过消抖，不能确认按键真正按下），下一状态进入状态1。

　　状态1为按键闭合确认状态，它表示在10 ms前按键为闭合的，因此当再次检测到按键输入为“0”时，可以确认按键被按下了（经过10 ms的消抖）；输出“1”则表示确认按键闭合（0／1），下一状态进入状态2。而当再次检测到按键的输入为“1”时，表示按键可能处在抖动干扰；输出为“0”（I／0），下一状态返回到状态0。这样，利用状态1，实现了按键的消抖处理。状态2为等待按键释放状态，因为只有等按键释放后，一次完整的按键操作过程才算完成。

　　对图1的分析可知，在一次按键操作的整个过程中，按键的状态是从状态0→状态1→状态2，最后返回到状态0的，并且在整个过程中，按键的输出信号仅在状态1时给出了唯一的一次确认按键闭合的信号“1”，其他状态均输出“0”。因此，图1状态机所表示的按键系统，不仅克服了按键抖动的问题，同时也确保在一次按键的整个过程中，系统只输出一次按键闭合信号（“1”）。

2 具有连发功能的按键驱动设计

　　上面介绍的是最简单的情况，不管按键被按下的时间保持多长，在这个按键的整个过程中都只给出了一次确认的输出。但是有些场合为了方便使用者，根据使用者按按键的时间多少来确定是否按键“连发”。例如，在设置时钟时，按按键的时间较短时，设置加1；按按键时间较长时，设置加10，这时就需要根据按按键的时间长短来确定具体输出。图2是将按键驱动设计为具有连发功能状态机的状态转换图。

　　当按键按下后1 s内释放了，系统输出为1；当按键按下后1 s没有释放，那么以后每隔0.5 s，输出为2，直到按键释放为止。如果系统输出1，应用程序将变量加1；如果系统输出2，应用程序将变量加10。这样按键驱动就有了处理连发按键的功能了。

　　3 程序设计

　　由于篇幅所限，下面只给出按键驱动的关键程序，按键中断处理程序和时间处理函数：

　　这里的定时函数使用了Linux的内核定时器。使用内核定时器可以方便地实现每个状态的特定定时时间，并且安全释放CPU，提高CPU的效率。程序的基本思路是，首先按键被按下进入按键中断服务程序buttons_interrupt（），在中断服务程序里确定按键状态是否为初始态。如果是，则进行kbd_timer初始化且使按键状态转为消抖状态。当kbd_timer定时到以后，按键检测按键状态是否仍处于按下时转换状态为按键确定状态，如果不是则恢复初始态。当定时器1 s到达后，判断按键是否仍是按下。如是则转换为连发状态，否则恢复初始态。当0.5 s到达后，重新判断按键是否仍是按下。如是，则继续为连发状态，输出值加10；如果按键抬起，则恢复初始态。

　　4 实验结果

　该驱动程序经过gcc-arm-liunx-3.4.4编译，并在Micro2440SDK开发板上运行（开发板上的系统版本为linux2.6.13），运行结果如图3所示。

　　从运行结果可以看出，如果按下按键并在1 s抬起，输出值每次只加1；如果按下按键超过1 s，系统的输出值每隔0.5s将加10。说明本驱动运行正常，且具有了连发功能。

　　结 语

　　本文主要分析了按键有限状态机的工作过程，并利用Liunx内核定时器实现了状态机的状态转换时间间隔，最后给出了基于有限状态机的具有连发功能Linux驱动编写代码，实现了具有连发功能的按键驱动，为基于有限状态机的按键驱动提供了一种解决思路。