1.前言

本文主要对Linux下的input子系统进行介绍

2. 软件架构

图 input子系统结构图

input子系统主要包括三个部分:设备驱动层、核心层和事件层。我们可以分别理解为:具体的输入设备、过度设备和逻辑设备。对于用户空间来说与之直接交互的只有逻辑设备也就是事件层。

Input子系统主要包含两条路径(主要讲述第一条路径):

  • 第一条路径

设备驱动层捕获事件并向核心层报告->核心层将事件交由事件层处理->用户空间读取事件层处理的数据

  • 第二条路径

用户空间写入事件数据->事件层生成事件->调用核心层传递事件信息给驱动层->设备驱动层驱动硬件设备

3.系统组件之间的关联

图 input_dev  input_handle  input_handler之间的关联

通常input_dev、 input_handle、input_handler三者的关系如上图所示。

  • input_dev

input_dev通过node链接进全局链表input_dev_list中;通过h_list将与其关联的所有input_handle链接起来,这说明每个input_dev可能会有多个handle与其连接

  • input_handler

input_handler通过node节点链接进全局链表input_handler_list中;通过h_list将与其关联的所有input_handle链接起来,这说明每个input_handler可能会有多个handle与其连接

4. 系统组件

4.1 input_handle

Elemete Name input_handle
Path include/linux/input.h
Responsiblities

用于连接input_dev和input_handler,由input_handler创建

Attributions
  • private:void *类型,存放input handle的特有数据
  • open:open用来计数,指示这个handle是否被打开了
  • name:const char *类型,handler的名字,由handler在创建handle的时候指定
  • dev:struct input_dev *类型,与此handle关联的input_dev
  • handler:struct input_handler *类型,handler通过handle与上面的input_dev一起work
  • d_node:struct list_head类型,可以把此节点链到input_dev的h_list链表上,这说明一个input_dev可以与多个handle链接
  • h_node:struct list_head类型,可以将此节点链接到input_handler的h_list链表上,这说明一个input_handler可以与多个handle链接
Operations

4.2 input_dev

Elemete Name input_dev
Path include/linux/input.h
Responsiblities

代表一个input设备,如按键设备、触摸屏设备等

Attributions
  • name:const char *类型,input设备的名字
  • phys:const char *类型,/sys/目录下的文件节点名,如/sys/class/input/event0
  • uniq:const char *类型,设备的唯一标识码,需要设备支持
  • id:struct input_id类型,设备的ID,包括生产商,产品好,版本号
  • propbit:
  • evbit:设备支持哪些事件
  • keybit:这个设备支持哪些按键和button
  • relbit:设备的相对坐标,针对鼠标设备?
  • absbit:针对触摸屏设备?
  • mscbit:设备支持的杂项事件
  • ledbit:设备上的LED
  • sndbit:设备的声音支持相关,如蜂鸣器等
  • ffbit:设备所支持的强反馈事件,如马达等
  • swbit:设备是否支持开关,如iphone上的静音开关
  • hint_events_per_packet:设备打包事件暗含的数目,一般发生在EV_SYN和SYN_REPORT之间的事件数目,input_handler需要据此预估buffer大小来存放事件
  • keycodemax:按键码表的大小,用来存放按键码,实际的按键码个数可能小于此
  • keycodesize:实际上存放在按键码表中的按键码数目
  • keycode:void *类型,扫描码到按键码的映射,对ADC按键扫描码可以理解为某个按键的ADC值,按键码有音量加,音量减等
  • setkeycode:函数指针
  • getkeycode:函数指针
  • ff:struct ff_device *类型
  • repeat_key:保存了上次按下的按键,用于软件自动重发
  • timer:struct timer_list 类型,软件重发的定时器,包括按键按下多长时间启动自动重发功能,每隔多长时间重发一次
  • rep:数组类型,用于自动重发的参数值保存
  • mt:struct input_mt *类型
  • absinfo: struct input_absinfo *类型
  • key:数组,反应当前key/button设备的状态,如按下还是抬起
  • led:数组,反映当前led的状态
  • snd:数组,反映snd的状态
  • sw:数组,反映开关的状态
  • open:函数指针,这个方法由第一个用户在调用input_open_device时被调用,驱动中此时需要已经开启 poll线程,并可以上报事件,其它用户调用时将只把user计数加1
  • close:函数指针,最后一个用户调用input_close_device时将调用此函数,驱动需要实现做一个善后工作
  • flush:函数指针
  • event:函数指针,主要用于input_handler接收用户层的操作事件,对input_dev进行操作,如对led和ff设备的操作
  • grab:struct input_handle __rcu *类型,一旦grab不为空,则说明此input_handle将成为此input_dev的唯一事件处理者
  • event_lock:spinlock_t类型,用于input core接收或处理此input_dev的事件
  • mutex:struct mutex 类型,用于保证open、close、flush方法的串行执行
  • users:input_handler执行input_open_device的次数
  • going_away:标示input_dev在执行unregister的过程中,此时执行input_open_device将失败
  • dev:struct device类型,设备驱动模型device
  • h_list:struct list_head类型,用于链接此input_dev的所有input_handle
  • node:struct list_head类型,用于将此input_dev加入到全局input_dev_list中
  • num_vals:当前队列中有多少个frame在排队,每个frame可以理解成EV_SYN和SYN_REPORT之间的事件
  • max_vals:一个frame中可以包含的最大事件个数???
  • vals:struct input_value *类型,入队到当前队列的数组????
  • devres_managed:指示设备资源是否由设备资源框架进行管理
Operations

4.3 input_handler

Elemete Name input_handler
Path include/linux/input.h
Responsiblities

input_dev的逻辑表示,用于和用户空间交互,为input_dev实现一堆接口

Attributions
  • private:void *类型,私有数据
  • event:函数指针,event handler,事件处理主函数。会持有dev->event_lock spinlock,并关中断,因此不能进休眠
  • events:函数指针,事件顺序处理,同上不能睡眠
  • filter:函数指针
  • match:函数指针,对input_dev->id与input_handler->id_table进行匹配
  • connect:函数指针,当需要将一个input_device与一个input_handler进行连接的时候调用,调用的过程中会创建input_handle
  • disconnect:从一个input_dev上断开与一个input_handler的连接
  • start:对于给定的handle start handlers,这个函数一般在connect被成功执行后进行调用
  • legacy_minors:是否使用遗留的minors范围
  • minor:遗留的minors范围的开始次设备号
  • name:const char *指针,handler的名字,在/proc/bus/input/handlers显示
  • id_table:const struct input_device_id *类型,id_table保存input_dev ids,指示这个handler可以处理哪些input_devices
  • h_list:struct list_head类型,与此input_handler关联的input_handle将挂到h_list链表
  • node:struct list_head类型,通过node节点将此input_handler连接到全局input_handler_list链表
Operations

4.4 evdev

Elemete Name evdev
Path drivers/input/evdev.c
Responsiblities

Evdev是最上层代表 input设备的结构体,它代表一个字符设备,用户可以open ,close等等fop操作

Attributions
  • open:设备被打开的次数
  • handle:struct input_handle类型,此handle用于联系此handler和input device
  • wait:wait_queue_head_t类型,等待队列,用于处理上报事件
  • grab:struct evdev_client __rcu *类型
  • client_list:struct list_head类型
  • client_lock:spinlock_t类型,protects client_list
  • mutex:struct mutex类型
  • dev:struct device 类型,evdev是代表设备,因此需要注册进设备驱动模型
  • cdev:struct cdev类型,此处表示input dev是一个字符设备,用户可以通过fops对其进行操作
  • exist:
Operations

4.5 evdev_client

Elemete Name evdev_client
Path drivers/input/evdev.c
Responsiblities

Evdev_client代表打开evdev设备的用户,用来管理input event buffer

Attributions
  • head:
  • tail:
  • packet_head:[future] position of the first element of next packet
  • buffer_lock:spinlock_t类型,protects access to buffer, head and tail
  • wake_lock:struct wake_lock类型
  • use_wake_lock:是否使用wake_lock
  • name[28]:
  • fasync:struct fasync_struct *类型
  • evdev:struct evdev *类型
  • node: struct list_head类型,用于与evdev链接,一个evdev可以有多个evdev_client
  • clkid:
  • bufsize:
  • buffer[]:struct input_event 类型
Operations

5.关键流程

5.1 input_init

input_init->

class_register(&input_class)

input_proc_init()

register_chrdev_region->

__register_chrdev_region

主要完成了input子系统的注册(通过注册subsys->kobject),同时创建字符设备char_device_struct,并将指针插入到全局哈希表chrdevs中

  • class_register
class_register实际上是分配struct subsys_private并放到全局的kobject层级结构中。
我们知道内核中任何一个设备或类的实体的元模型就是kobject,任何一个设备或类都将其kobject放入到全局kobject层级结构中。
而kset可以理解为是kobject的容器,一个子系统与一个kset是对应的。
subsys_private是对kset的进一步封装,其中的成员变量struct kset subsys就代表子系统,
class_register实际完成的工作就是将subsys->kobject放入到全局的kobject层级结构中,从而完成了子系统的注册。
  • input_proc_init
创建/proc/bus/input/devices和/proc/bus/input/handlers两个目录。

  cat /proc/bus/input/devices可以看到当前系统注册了哪些input设备;

  cat /proc/bus/input/handlers可以看到当前系统注册了哪些handlers
  • register_chrdev_region(MKDEV(INPUT_MAJOR, 0),INPUT_MAX_CHAR_DEVICES, "input")
主要用来分配次设备号。从主设备号INPUT_MAJOR(),次设备号0开始,注册INPUT_MAX_CHAR_DEVICES()个设备,所有设备有一个共同的名字”input”。
核心是调用__register_chrdev_region,后者会对每一个字符设备分配一个char_device_struct结构体,并将结构体指针插入到全局chrdevs哈希表中。

5.2  input_register_device

input_register_device->

devres_alloc

__set_bit(EV_SYN, dev->evbit)

__clear_bit(KEY_RESERVED, dev->keybit)

input_cleanse_bitmasks(dev)

input_estimate_events_per_packet

init_timer(&dev->timer)

dev_set_name

device_add

kobject_get_path

list_add_tail

input_attach_handler->

input_match_device

input_wakeup_procfs_readers

input_register_device首先设置了相关的属性支持事件等,然后调用device_add将input_dev注册进设备驱动模型,同时连接进全局链表input_dev_list中,注册过程中会匹配handler,调用handler->connect,实际上handle的创建就是在connect 中完成的,后文会提到。

  • devres_alloc
如果采用设备资源框架来分配则调用此函数分配input_dev,用此种方法分配的input_dev无需ungegister 或 free;
  • __set_bit(EV_SYN, dev->evbit)
每个设备都支持EV_SYN事件;
  • __clear_bit(KEY_RESERVED, dev->keybit)
KEY_RESERVED不支持发送给用户空间;
  • input_cleanse_bitmasks(dev)
确保除了设置显示支持的事件以外,其它事件都被清空;
  • input_estimate_events_per_packet
估算每个packet包含的事件长度,主要鼠标和触摸屏用到;

dev->max_vals = max(dev->hint_events_per_packet, packet_size) + 2;

dev->vals = kcalloc(dev->max_vals, sizeof(*dev->vals), GFP_KERNEL);

  • init_timer(&dev->timer)
初始化自动重复发送定时器,定时器处理函数为input_repeat_key,默认按下超过250ms开启自动开启重复发送按键,每33ms发送一次;
  • dev_set_name(&dev->dev, "input%ld", (unsigned long) atomic_inc_return(&input_no) - 1);
设置input设备的名字
  • device_add
这个是 input设备注册的核心语句,完成向设备驱动模型的注册。
  • kobject_get_path(&dev->dev.kobj, GFP_KERNEL)
获取sysfs中设备的节点路径
  • list_add_tail(&dev->node, &input_dev_list)
向全局input_dev_list加入此节点
  • list_for_each_entry(handler, &input_handler_list, node)
  • input_attach_handler(dev, handler);
从全局的input_handler_list遍历每个handler执行input_attach_handler,完成input_device和input_handler的连接,一旦匹配成功,将调用handler->connect函数
  • wait_wakeup_procfs_readers

5.3 input_register_handler

input_register_handler->

  list_add_tail

  input_attach_handler->

    evdev_connect->

      kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL)

      init_waitqueue_head

      dev_set_name(&evdev->dev, "event%d", dev_no)

      device_initialize(&evdev->dev)

      input_register_handle(&evdev->handle)

      cdev_init

      cdev_add

      device_add

以evdev handler为例,在注册input_handler过程中一旦与input_dev匹配将通过handler->connect创建handle并注册之,同时connect将完成evdev的初始化,并为整个input子系统添加一个字符设备,evdev作为一个device还将通过devcie_add注册进设备驱动模型

  • list_add_tail
将handler加入到全局input_handler_list链表中,便于遍历;
  • list_for_each_entry(dev, &input_dev_list, node)

    •   input_attach_handler(dev, handler);
对input_dev_list全局input_dev链表遍历,建立input_dev与input_handler的关联。实际上input_match_device匹配成功,会handler->connect来创建对应的handle
  • evdev_connect
()kzalloc(sizeof(struct evdev), GFP_KERNEL)分配一个evdev结构体;

()init_waitqueue_head(&evdev->wait);初始化等待队列;

()dev_set_name(&evdev->dev, "event%d", dev_no);设置evdev的名字

()初始化evdev->handle成员变量;

()device_initialize(&evdev->dev),evdev是一个device,需要加入设备驱动模型,此处初始化device;

()input_register_handle(&evdev->handle)注册input_handle,见下文

()cdev_init(&evdev->cdev, &evdev_fops)初始化evdev->cdev字符设备的fos为evdev_fops

()cdev_add(&evdev->cdev, evdev->dev.devt, )将cdev设备注册进系统,此处可以看出整个input子系统只注册一个字符设备。

5.4   input_handle_register

input_handle注册,主要将handle->d_node连入对应的input_dev->h_list链表;主要将handle->d_node连入对应的input_handler->h_list链表;

5.5 evdev_open

evdev_open->

evdev_compute_buffer_size

kzalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN)

evdev_attach_client

evdev_open_device

  • evdev_compute_buffer_size
计算需要分配的存放事件的buffer大小
  • kzalloc(size, GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN)
创建evdev_client代表有一个用户打开了此设备。
  • evdev_attach_client
建立evdev_client与evdev的关联 
  • evdev_open_device(evdev)
增加open的引用计数,调用input_open_device (&evdev->handle),后者最终会调用input_dev->open函数

5.6 evdev_read

evdev_read->

evdev_fetch_next_event

input_event_to_user

wait_event_interruptible

  • evdev_fetch_next_event
for循环中通过此函数来从evdev_client->buffer取出一个input_event 
  • input_event_to_user
将input event解析完后发送给user buffer; 
  • wait_event_interruptible
如果file->f_flags定义为非O_NONBLOCK则代表是阻塞,如果buffer里面没有数据则会在此处阻塞等待,直到有数据将其唤醒(可参照后面的解释)

5.7 input_event

input_event->

input_handle_event->

input_pass_values->

input_to_handler->

handler->event, evdev_event->

evdev_events->

evdev_pass_values->

__pass_event

wake_up_interruptible

input_event会在input_report_key等被调用,不同的事件会进行不同的封装。此函数最终将input event上报存放在evdev_client的buffer里面供用户层取用,如果定义为阻塞,则此处需要唤醒阻塞的读。

5.8.    evdev_write

evdev_write->

input_event_from_user

input_inject_event->

input_handle_event

  • input_event_from_user
将用户空间数据拷贝到evdev_client->buffer中; 
  • input_inject_event
将根据事件方向调用input_handle_event进行写入,应用场景可以是震动马达,LED灯点亮等

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