73、IMX6ULL Linux按键驱动实战：从GPIO轮询到设备树中断+等待队列

IMX6ULL Linux按键驱动实战：从GPIO轮询到设备树中断+等待队列

一、核心技术栈与设计哲学

1.1 核心技术体系

技术点	作用说明
设备树（DTS/DTB）	统一描述按键GPIO、中断等硬件资源，通过`compatible`属性实现驱动与硬件解耦
GPIO子系统	封装底层寄存器操作，提供`gpio_request`、`gpio_get_value`等标准化API，简化硬件操作
中断处理	以"事件触发"替代轮询，按键按下/松开时触发中断，降低CPU占用（`request_irq`+中断服务函数）
等待队列	实现"休眠-唤醒"机制，应用等待按键事件时释放CPU，中断触发后唤醒，实现高效阻塞I/O
Platform总线	通过设备树匹配机制，自动执行驱动`probe`函数，标准化驱动初始化流程

1.2 驱动演进设计哲学

从"功能实现"到"高性能+高可移植"，三个版本的演进完美诠释Linux驱动"低耦合、高内聚"的设计思想：

版本	核心实现	CPU占用	可移植性	核心亮点
V1	纯GPIO轮询	高	中	逻辑极简，适合入门理解GPIO操作
V2	GPIO转中断+等待队列	低	中	引入阻塞I/O，解决CPU占用问题
V3	设备树解析中断+等待队列	低	高	完全解耦硬件细节，Linux标准写法

二、设备树（DTS）编写：硬件描述的标准化

设备树是驱动与硬件的"桥梁"，统一描述按键的GPIO、中断资源，无需在驱动中硬编码硬件信息。

2.1 DTS节点示例（添加到IMX6ULL设备树文件）

dts 复制代码

ptkey {
    compatible = "pt-key";          // 与驱动of_device_id匹配，核心匹配属性
    ptkey-gpio = <&gpio1 4 GPIO_ACTIVE_LOW>; // 按键GPIO（GPIO1_IO04，低电平有效）
    interrupt-parent = <&gpio1>;    // 中断父控制器（GPIO1）
    interrupts = <4 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>; // 中断号4，下降沿触发（按键按下）
};

&gpio1：引用IMX6ULL的GPIO1控制器节点；
GPIO_ACTIVE_LOW：标识GPIO低电平有效（按键按下时GPIO为低）；
interrupts：定义中断触发方式，IRQ_TYPE_EDGE_FALLING表示下降沿触发。

2.2 设备树匹配机制

驱动通过of_device_id结构体声明支持的compatible属性；
内核启动时，自动匹配设备树节点与驱动的compatible；
匹配成功后，Platform总线触发驱动的probe函数，完成初始化。

三、驱动代码解析：三版本演进详解

3.1 V1：纯GPIO轮询驱动（key.c）

最基础的实现方式，通过循环读取GPIO电平判断按键状态，适合入门理解GPIO子系统。

核心代码

c 复制代码

#define DEV_NAME "key"
static int key_gpio;

// 读取按键状态（1=未按下，0=按下）
static inline int get_key_status(void) {
    return gpio_get_value(key_gpio); // GPIO子系统API，读取电平
}

// read函数：应用调用read时返回按键状态
static ssize_t read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff) {
    int status = get_key_status();
    // 内核空间→用户空间拷贝数据
    if (copy_to_user(buf, &status, sizeof(status)))
        return -EFAULT;
    return sizeof(status);
}

// probe函数：驱动初始化核心流程
static int probe(struct platform_device *pdev) {
    struct device_node *pdts;
    int ret = misc_register(&misc_dev); // 注册杂项设备，自动创建设备节点/dev/key
    if (ret) goto err_misc_register;
    
    pdts = of_find_node_by_path("/ptkey"); // 查找设备树节点
    key_gpio = of_get_named_gpio(pdts, "ptkey-gpio", 0); // 从节点获取GPIO编号
    ret = gpio_request(key_gpio, "key"); // 申请GPIO资源，避免冲突
    gpio_direction_input(key_gpio); // 配置GPIO为输入模式

    printk("V1：GPIO轮询驱动初始化完成\n");
    return 0;

// 错误处理：释放已申请资源，避免内存泄漏
err_misc_register:
    misc_deregister(&misc_dev);
    printk("驱动初始化失败，ret=%d\n", ret);
    return ret;
}

工作流程与弊端

流程：应用while(1)循环调用read→驱动读取GPIO电平→返回状态；
弊端：应用长期占用CPU（占用率高达99%），无法捕捉瞬间按键动作，实时性差。

3.2 V2：中断+等待队列（key_irq.c）

核心优化：引入中断替代轮询，配合等待队列实现"休眠-唤醒"，彻底解决CPU占用问题。

3.2.1 核心机制：等待队列

等待队列是Linux阻塞I/O的核心，本质是"进程候车室"：

应用无按键事件时，进入休眠状态，释放CPU；
按键触发中断时，驱动唤醒休眠进程，高效响应事件。

3.2.2 核心代码改造

c 复制代码

// 定义等待队列和条件变量
static wait_queue_head_t wq; // 等待队列头
static int condition = 0;    // 事件就绪标志（0=未就绪，1=就绪）
static int key_irq;          // 中断号

// 中断服务函数（顶半部）：按键按下时触发
static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void *dev) {
    int arg = *(int *)dev;
    if (100 != arg) return IRQ_NONE; // 验证私有数据，避免误触发
    
    condition = 1;              // 标记事件就绪
    wake_up_interruptible(&wq); // 唤醒等待队列中的应用进程
    return IRQ_HANDLED;         // 告知内核中断已处理
}

// 改造read函数：实现阻塞I/O
static ssize_t read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff) {
    condition = 0;
    // 条件不满足时，进程休眠（CPU占用0%）
    wait_event_interruptible(wq, condition);
    
    int status = 1; // 标记按键按下事件
    copy_to_user(buf, &status, sizeof(status));
    return sizeof(status);
}

// probe函数：新增中断初始化
static int probe(struct platform_device *pdev) {
    // （省略GPIO初始化，与V1一致）
    key_irq = gpio_to_irq(key_gpio); // GPIO转中断号（依赖GPIO与中断绑定关系）
    
    // 注册中断：中断号、中断服务函数、触发方式、名称、私有数据
    ret = request_irq(key_irq, key_irq_handler, 
                     IRQF_TRIGGER_FALLING, "key0_irq", &arg);
    init_waitqueue_head(&wq); // 初始化等待队列

    printk("V2：中断+等待队列驱动初始化完成\n");
    return 0;
}

核心优势

应用阻塞时CPU占用率为0%，仅在按键按下时响应；
中断响应及时，可捕捉瞬间按键动作，实时性大幅提升；
保留杂项设备特性，自动创建设备节点/dev/key，无需手动mknod。

3.3 V3：设备树解析中断（key_irq_sub.c）

V2的gpio_to_irq仍依赖"GPIO与中断号的固定绑定"，V3通过设备树直接解析中断号，完全解耦硬件细节，是Linux标准写法。

核心改进点：中断号解析方式

c 复制代码

// V2写法：依赖GPIO与中断的绑定关系
// key_irq = gpio_to_irq(key_gpio);

// V3写法：直接从设备树解析中断号（推荐）
key_irq = irq_of_parse_and_map(pdts, 0); // pdts为设备树节点指针，0为中断索引
if (key_irq < 0) {
    printk("中断号解析失败\n");
    return -EINVAL;
}

核心优势

不依赖GPIO与中断的固定绑定，硬件变更时仅需修改设备树；
驱动代码通用，可移植到其他支持设备树的Linux平台；
完全遵循Linux设备驱动模型，符合"硬件描述与驱动逻辑分离"的设计思想。

3.4 统一的Platform驱动骨架

三个版本均基于标准Platform驱动框架，确保驱动的可扩展性与兼容性：

c 复制代码

// 设备树匹配表：与DTS节点compatible匹配
static struct of_device_id key_table[] = {
    {.compatible = "pt-key"},
    {} // 结束标志
};

// Platform驱动结构体
static struct platform_driver pdrv = {
    .probe = probe,    // 匹配成功后执行
    .remove = remove,  // 驱动卸载时执行
    .driver = {
        .name = DEV_NAME,
        .of_match_table = key_table, // 设备树匹配表
    }
};

// 驱动入口/出口（宏定义简化）
module_platform_driver(pdrv);
MODULE_LICENSE("GPL"); // 声明开源协议

四、应用程序：高效阻塞式调用

应用程序无需轮询，通过read函数阻塞等待按键事件，简洁高效。

4.1 应用代码

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, const char *argv[]) {
    int fd = open("/dev/key", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open /dev/key failed");
        return 1;
    }

    int status = 0;
    while (1) {
        // 阻塞等待按键事件，无事件时进程休眠
        int ret = read(fd, &status, sizeof(status));
        printf("按键触发！ret=%d, 状态=%d\n", ret, status);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

4.2 运行现象对比

驱动版本	应用CPU占用	响应特性
V1	99%左右	轮询响应，可能漏检按键
V2/V3	0%（休眠）	中断触发，即时响应

五、实操验证流程：从编译到运行

5.1 编译准备

（1）驱动模块编译（Makefile）

makefile 复制代码

# 选择驱动版本（三选一）
obj-m += key.o          # V1：GPIO轮询
# obj-m += key_irq.o     # V2：中断+等待队列
# obj-m += key_irq_sub.o # V3：设备树解析中断
KERNELDIR ?= /home/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
PWD := $(shell pwd)

all:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm

clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

执行编译：make，生成.ko驱动模块。

（2）应用程序编译

bash 复制代码

arm-linux-gnueabihf-gcc key_app.c -o key_app

（3）设备树编译

bash 复制代码

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- dtbs

生成更新后的设备树文件（如imx6ull-14x14-evk.dtb）。

5.2 驱动加载与验证（推荐V3版本）

拷贝imx6ull-14x14-evk.dtb、key_irq_sub.ko、key_app到开发板；
开发板上电，加载新设备树；

加载驱动模块：

bash 复制代码

insmod key_irq_sub.ko
ls /dev/key  # 验证设备节点自动创建

运行应用程序：
bash 复制代码
```
./key_app
```
操作验证：按下按键，应用打印"按键触发！ret=4, 状态=1"；

查看内核日志：

bash 复制代码

dmesg | grep -E "probe|irq"

预期输出：

复制代码

key platform_driver_register success
#########################  key_driver  probe
irq = 123 dev = 100  # 中断号与私有数据

卸载驱动：
bash 复制代码
```
rmmod key_irq_sub.ko
```

六、常见问题排查：避坑指南

6.1 驱动匹配失败（probe不执行）

compatible不匹配：驱动of_device_id的compatible需与DTS节点完全一致；
DTS节点路径错误：of_find_node_by_path("/ptkey")的路径需与DTS中一致；
设备树未更新：确保烧录的是编译后的新DTB文件。

6.2 中断注册失败（request_irq返回负数）

中断号解析错误：检查irq_of_parse_and_map的返回值，确认DTS中断配置正确；
中断被占用：通过cat /proc/interrupts查看已占用的中断号，避免冲突；
触发方式错误：确保中断触发方式与硬件一致（如按键用下降沿）。

6.3 应用未休眠（CPU占用100%）

未初始化等待队列：确保调用init_waitqueue_head(&wq)；
中断服务函数未唤醒队列：确认condition=1且调用wake_up_interruptible(&wq)；
条件变量未重置：read函数中需先置condition=0。

6.4 按键无响应

GPIO配置错误：确认gpio_direction_input配置为输入模式；
硬件接线错误：按键未按下时GPIO应为高电平，按下后为低电平；
中断触发方式错误：若按键松开时响应，可改为IRQF_TRIGGER_RISING（上升沿触发）。

七、核心知识点总结

7.1 关键API速查

API函数	作用说明
`of_find_node_by_path`	通过路径查找设备树节点
`of_get_named_gpio`	从设备树节点获取GPIO编号
`gpio_request`	申请GPIO资源，避免冲突
`gpio_to_irq`	将GPIO转换为中断号（V2使用）
`irq_of_parse_and_map`	从设备树解析中断号（V3推荐）
`request_irq`	注册中断服务函数
`init_waitqueue_head`	初始化等待队列
`wait_event_interruptible`	进程休眠，等待条件满足
`wake_up_interruptible`	唤醒等待队列中的进程

7.2 设计思想提炼

解耦：设备树描述硬件，驱动专注逻辑，硬件变更无需修改驱动；
高效：中断替代轮询，等待队列实现阻塞I/O，最大化CPU利用率；
标准：遵循Linux设备驱动模型，使用Platform总线、杂项设备，保证兼容性。

八、总结

本文通过三个版本的按键驱动演进，完整展现了Linux驱动从"功能实现"到"高性能+高可移植"的优化路径：

V1：理解GPIO子系统的基础操作；
V2：掌握中断与等待队列的核心机制，解决CPU占用问题；
V3：遵循设备树标准，实现驱动与硬件的完全解耦。

这套思路适用于所有Linux输入设备（如触摸按键、编码器、红外接收头），是嵌入式人机交互开发的基础。掌握后，可轻松扩展到更复杂的驱动开发（如输入子系统、触摸屏驱动）。