【Linux驱动实战】：标准的按键控制LED驱动写法

0. 前言

依稀记得当初在刚学单片机时，写按键逻辑都是简单的 if(key == 0) delay(20ms)。但在 Linux 内核中，这种写法不仅会拉低系统性能，更是对 CPU 资源的极大浪费，大量的无效判断会将 CPU 资源都耗费在做无用功上面。

物理按键按下的一瞬间，电平并不是直接变低，而是会在 1 和 0 之间疯狂跳变，这就是按键抖动。如果你的驱动在检测到电平跳变时就直接触发中断，你会发现按一下按键，中断可能会触发几十次甚至更夸张。

今天，我拿我的板子鲁班猫 2 平台为例，带大家做一个符合 Linux 内核标准规范的按键驱动，并用它控制一个小小的 LED。虽然功能简单，但是它涉及到的知识点还是比较复杂的，它包含了 设备树配置 、中断下半部处理 、内核定时器消抖 、以及 字符设备驱动。

最终达到的目标是直接使用驱动程序来控制 LED，并在按键按下或者松开时上报给用户程序。

1. 设备树

很多人写驱动喜欢直接在代码里硬编码 GPIO 编号，这在现代 Linux 内核里相对而言是不专业的做法。标准的做法要要通过设备树来描述硬件。在讲设备树之前，我先将写好的设备树节点放在下面，以便大家对照学习：

这段代码在根节点外面：

&pinctrl{
    //建立一个自定义引脚组
    my_button_setup{
        //定义引脚：bank为3，引脚为7 (RK_PA7)，功能为GPIO，电气属性为上拉
        my_button_pin:my-button-pin{
            rockchip,pins = <3 RK_PA7 RK_FUNC_GPIO &pcfg_pull_up>;
        };
    };
};

下面这段代码在根节点里面：

my_button{
        compatible = "lubancat,mybutton";
        status = "okay";
​
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&my_button_pin>;
​
        button-gpios = <&gpio3 RK_PA7 GPIO_ACTIVE_LOW>;//按键控制引脚，低电平代表按键按下
        led-gpios = <&gpio3 RK_PA5 GPIO_ACTIVE_HIGH>;//LED控制引脚，高电平有效
​
        interrupt-parent = <&gpio3>;
        interrupts = <RK_PA7 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>;//下降沿
    };

有基础的可以先尝试分析一下这两段设备树代码，再构思一下如果要实现我们最终的目标，驱动程序中大致逻辑应该怎么写，可以先把自己的思路打到评论区，再继续往后看，和我们最终的实现对照一下。

下面解析一下这两段设备树代码：

1.1 为什么要有pinctrl

在讲为什么要使用 pinctrl 之前，我们先来讲讲它到底有什么用。

我们一般看到的 pinctrl 的标准定义往往是这样的：pinctrl 子系统，顾名思义 Pin Control ，是 Linux 内核中用于统一管理 SoC 引脚的框架，主要处理 引脚复用 和 电气特性配置，比如上拉、下拉、驱动强度、速率、开漏等。它由芯片厂商提供 pinctrl driver，驱动开发者主要通过设备树来使用它。

来看看 pinctrl 的一些比较常见的具体用途：

1. 引脚复用： 大多数的 SoC 引脚是 多功能复用 的，例如同一个物理引脚可以是 GPIO，UART TX/RX，I2C SDL/SDA，SPI MOSI/MISO/SCK/CS。 当你的设备需要占用某个引脚时，必须通过 pinctrl 把这些引脚复用到对应的功能上，否则引脚可能是默认功能或冲突状态，导致外设无法正常工作。
2. 配置引脚的电气特性： 对于一个引脚，它还需要设置上拉、下拉、驱动强度、转换效率、电压电平、开漏等等。

如上面第一段代码，我定义了 my_button_setup，按键引脚如果不配置 内部上拉 ，在没有按下时它就是悬空的。悬空引脚会因为环境电磁干扰产生随机的高低电平波动，导致驱动频繁触发假中断。使用 &pcfg_pull_up 告诉内核把这个引脚接上内部电阻拉高，这样按键没按下时，它就是稳定的高电平。

这个坑我帮大家踩过了，如果不配置内部上拉，加载模块之后，可能出现中断风暴，严重时有好几次命令行直接卡住，无法输入命令，然后我的 SSH 就直接断开了。

第一个参数 3 代表 bank，我们使用的 gpio3，这里就填 3，RK_FUNC_GPIO 会将引脚复用为普通 GPIO 功能。

再来看第二段代码。

pinctrl-names 是引脚状态名称，这是一个字符串列表，从前到后每个字符串与后面的 pinctrl-0、pinctrl-1、pinctrl-2 等一一对应，最常见的默认值是 "default"。

pinctrl-0 对应 pinctrl-names 中的第一个名字，也就是我们定义的"default"，再指向具体的配置节点 &my_button_pin，这样就把引脚名称和具体配置对应起来了。

1.2 逻辑电平和物理电平

看设备树中这一行：

button-gpios = <&gpio3 RK_PA7 GPIO_ACTIVE_LOW>

很多开发者在这里会纠结，我的按键按下是低电平，那代码里 get_value 到底读到的是 0 还是 1？

实际上，如果你设置了 GPIO_ACTIVE_LOW，Linux 的 gpiod 子系统会自动帮你做逻辑转换：

• 按键按下，物理低电平，get_value读到 1，代表有效。
• 按键抬起，物理高电平，get_value读到 0，代表无效。

这样写出来的代码逻辑非常直观：1 就代表触发了，0 就代表没触发。

1.3 中断属性绑定

interrupt-parent 指定这个中断的 父中断控制器，GPIO 本身就是一个中断控制器，中断信号来自 gpio3 这个 bank。

interrupts 是中断描述符，后续的 interrupts 属性中的引脚编号，都是相对于 gpio3 这个控制器来解释的，IRQ_TYPE_EDGE_FALLING指定中断触发的类型，这里是下降沿触发，

配合内部上拉，当按键被按下，电平由高变低那一瞬间，中断就会发生。

到这里，我们设备树就讲完了，后面编译好再拷到板子的 /boot/dtb 目录下，之后重启板子就生效了。

一句话总结一下：搞底层驱动，第一步不是写 C 代码，而是调设备树。设备树没有写好，引脚悬空或者逻辑反向，后面写再多代码也是白搭，还有 pinctrl 里的上拉配置，是解决按键触发诡异中断的关键。

2.probe初始化函数

刚写驱动的时候，最头疼的就是 goto 标签。申请了内存要释放，申请了中断要注销，一旦逻辑乱了，就很容易造成资源泄露。

因此，要尽可能的使用 devm_ 系列 API。

2.1 私有结构体定义

在讲 probe 函数之前需要先了解一下我定义的私有结构体：

struct my_key_dev{
    //字符设备相关
    dev_t dev_num;
    struct cdev cdev;
    struct class* class;
    struct device* device;
​
    struct gpio_desc* key_gpio; //gpio描述符
    struct gpio_desc* led_gpio;//led的gpio
    int irq_num; //中断号
    struct timer_list timer; //定时器
​
    wait_queue_head_t wq;//等待队列头
    int key_push;//按键产生的标志位
    int key_state;//按键状态
};

为了驱动代码的健壮性和可移植性，以及未来可以支持多个设备，搞一大堆全局变量并不是一个明智的做法，我们要养成用一个私有结构体包装资源的习惯。

my_key_dev 结构体中最前面四个是字符设备相关的，以及后面的字符设备的注册都是有固定框架的，就不赘述了。

中间四个成员，前两个 gpio 描述符分别用于 按键 和 LED ，而中断号是由按键的 gpio 描述符转化而来的，timer_list 是我们用来消抖的。

wait_queue_head_t 等待队列头，用于实现进程的阻塞与唤醒，让 CPU 高效运行。

key_push 默认为零，当按键有动作时置位 1。key_state 表示此时按键的状态。

2.2 完整的probe函数

后面要结合代码来具体讲，所以我先把 probe 函数放在这，文末我会附上完整的驱动程序代码，读完之后大家可以看完整代码理一下逻辑。

static int my_key_probe(struct platform_device* pdev)
{
    struct device* dev = &pdev->dev;
    struct my_key_dev *key;
    int ret;
​
    key = devm_kzalloc(dev, sizeof(*key), GFP_KERNEL);
    if(!key) return -ENOMEM;
​
    //解析设备树
    key->key_gpio = devm_gpiod_get(dev, "button", GPIOD_IN);
    if(IS_ERR(key->key_gpio))
    {
        ret = PTR_ERR(key->key_gpio);
        printk(KERN_INFO "获取GPIO失败！\n");
        return ret;
    }
​
    key->led_gpio = devm_gpiod_get(dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);
    if(IS_ERR(key->led_gpio))
    {
        ret = PTR_ERR(key->led_gpio);
        printk(KERN_INFO "获取GPIO失败！\n");
        return ret;
    }
​
    //把GPIO转换成虚拟中断号
    key->irq_num = gpiod_to_irq(key->key_gpio);
    if(key->irq_num < 0)
    {
        printk(KERN_INFO "GPIO转中断号失败！\n");
        return key->irq_num;
    }
​
    //初始化内核定时器
    timer_setup(&key->timer, key_timer_callback, 0);
​
    //初始化等待队列
    init_waitqueue_head(&key->wq);
    key->key_push = 0;
​
    //申请并注册中断
    ret = devm_request_irq(dev, key->irq_num, key_isr, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "my_key_irq", key);
    if(ret)
    {
        printk(KERN_INFO "申请中断失败！\n");
        return ret;
    }
​
    //注册字符设备
    ret = alloc_chrdev_region(&key->dev_num, 0, 1, "key_ctrl_led");
    if(ret <  0)
    {
        printk(KERN_INFO "alloc failed!\n");
        return ret;
    }
​
    cdev_init(&key->cdev, &key_ctrl_led_fops);
    ret = cdev_add(&key->cdev, key->dev_num, 1);
    if(ret <  0)
    {
        printk(KERN_INFO "adev add failed!\n");
        goto err_add;
    }
​
    key->class = class_create(THIS_MODULE, "key_led_class");
    if(IS_ERR(key->class))
    {
        printk(KERN_INFO "class create failed!\n");
        ret = PTR_ERR(key->class);
        goto err_class;
    }
    
    key->device = device_create(key->class, NULL, key->dev_num, NULL, "key_ctrl_led");
    if(IS_ERR(key->device))
    {
        printk(KERN_INFO "device create failed!\n");
        ret = PTR_ERR(key->device);
        goto err_device;
    }
​
    platform_set_drvdata(pdev, key);
    printk(KERN_INFO "按键驱动加载成功！\n");
​
    return 0;
​
err_device:
    class_destroy(key->class);
err_class:
    cdev_del(&key->cdev);
err_add:
    unregister_chrdev_region(key->dev_num, 1);
​
    return ret;
}

2.3 内核的资源自动回收机制

上面的 probe 函数中，我们在申请内存，获取 GPIO 描述符和申请中断时分别采用了devm_kzalloc，devm_gpiod_get，devm_request_irq。

devm_ 前缀是内核提供的 Device Managed（设备管理） 机制。

传统写法中，如果你在 probe 中间出错，或者驱动卸载 remove时，你必须手动写一堆 kfree、gpio_free。漏写一个，就会造成资源泄漏。

而当前的而写法，只要 probe 成功，这些资源就挂载到了 device 结构体下。一旦驱动卸载，内核会自动回收所有资源。

2.4 从 gpio 到 gpiod

请注意 probe 函数中，我们获取按键和 LED 的 GPIO 描述符时的操作：

key->key_gpio = devm_gpiod_get(dev, "button", GPIOD_IN);
key->led_gpio = devm_gpiod_get(dev, "led", GPIOD_OUT_LOW);

这里传入的是 "button" 和 "led"，而不是具体的引脚编号。

驱动程序不需要关心这个按键接在 GPIO3 还是 GPIO5，它只管找设备树里叫 button-gpios 和 led-gpios 的那个属性。

gpiod 是基于描述符的，它比旧的 gpio_ 编号更安全，能有效防止多个驱动误操作同一个引脚。

2.5 gpiod_to_irq

probe函数中中断号的获取方式如下：

key->irq_num = gpiod_to_irq(key->key_gpio);

在 ARM 架构上，GPIO 编号和中断号并不是线性对应的。以前我们要查硬件手册、算偏置。现在一行代码，内核直接把 GPIO 映射成虚拟中断号给你。

2.6 其他的初始化

在 probe 的结尾，还初始化了三个核心组件：

1. Timer（定时器） ：准备给按键消抖用。
2. Wait Queue（等待队列） ：准备给 read 阻塞读取用。
3. Cdev（字符设备） ：给用户空间提供接口。

写驱动最怕的就是初始化失败之后的擦屁股，以前写 probe ，每申请一个资源都要小心翼翼地写好对应的 free 。用了 devm_ 之后，代码清爽了，逻辑清晰了。建议所有还在死磕旧版内核 API 的，赶紧换 gpiod 和 devm，这才是真正的工业级标准。

3. 中断与定时器的核心逻辑

物理按键按下的一瞬间，电平会像疯了一样在 1 和 0 之间跳变很多次。如果我们每跳一次就触发一次中断，CPU 就会被这些无效的中断大量占用。

3.1 中断上半部

我们中断上半部的逻辑如下：

static irqreturn_t key_isr(int irq, void* dev_id)
{
    struct my_key_dev* key = (struct my_key_dev*)dev_id;
    disable_irq_nosync(irq);//关键
​
    //jiffies是内核当前节拍数
    mod_timer(&key->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(20));//定个20ms闹钟
​
    return IRQ_HANDLED;
}

当按键按下或抬起的那一刻，就回触发中断，然后进入中断处理函数。

请注意，我在关中断时用的是 disable_irq_nosync，而不是普通的 disable_irq，因为它会等待当前中断执行完才返回，你在中断里等中断完，这不是死锁了吗？

而 nosync 的妙处：它会让内核立刻关闭这个中断触发。这样，后续那几十次电平抖动产生的中断就被无视了，CPU 也不会进行无效的操作。

3.2 中断下半部：内核定时器

内核定时器的相关部分如下：

static void key_timer_callback(struct timer_list *t)
{
    struct my_key_dev* key = from_timer(key, t, timer);
​
    key->key_push = 1;
​
    wake_up_interruptible(&key->wq);//唤醒
    
    enable_irq(key->irq_num);//开中断，等待下一次按键动作
​
    key->key_state = gpiod_get_value(key->key_gpio);
​
    gpiod_set_value(key->led_gpio, key->key_state);//直接在内核实现控制LED，响应速度快
​
    if(key->key_state == 1)
    {
        printk(KERN_INFO "[中断下半部]：按键按下有效！\n");
    }
    else
    {
        printk(KERN_INFO "【中断下半部】：按键抬起！\n");
    }
}

当中断触发 20ms 后，定时器计时结束。这时物理电平已经稳定了，我们再来读取按键的电平。

3.3 状态同步

请注意下面两行代码：

key->key_push = 1;
wake_up_interruptible(&key->wq);//唤醒

这里把内核发生的硬件事件，通知给正在阻塞等待的用户进程。

4. 阻塞I/O

4.1 等待队列

probe 函数中可以看到这样一行代码：

init_waitqueue_head(&key->wq);

它初始化了一个等待队列头。

4.2 read函数

在字符设备操作结构体中绑定的 read 函数如下：

static ssize_t key_led_read(struct file* file, char __user* buf, size_t count, loff_t* offset)
{
    struct my_key_dev* key = file->private_data;
​
    //检测key_pushed是否为真，如果为假就睡眠
    if(wait_event_interruptible(key->wq, key->key_push))
        return -ERESTARTSYS;
​
    if(copy_to_user(buf, &key->key_state, sizeof(int)))
    {
        return -EFAULT;
    }
​
    key->key_push = 0;//清除标志位。
    return sizeof(int);//返回读取到的字节数
}

这里要注意：

if(wait_event_interruptible(key->wq, key->key_push))
        return -ERESTARTSYS;

当用户程序中调用 read 时，内核会检查 key_push 这个标志位。如果它是 0，代表没按键，内核就会把这个用户进程的状态改为 睡眠，并把它踢出 CPU 的运行队列。

为什么用 interruptible？ 这其实是一个好的习惯，万一你的用户程序卡死了，可以按下 Ctrl+C 发送信号，这个函数能感应到并立刻返回，而不是在那儿死等。

4.3 唤醒

在 3.2 小节的定时器回调函数中，我们唤醒了用户程序，他从刚才进入睡眠的地方开始执行，也就是 copy_to_user，内核空间的数据key_state 和用户空间是隔离的，不能直接赋值，必须通过 copy_to_user 跨越那道物理屏障，把按键状态安全地送到用户程序的手里。

从逻辑上看，我们按键点亮甚至比用户程序接收到信息还要快。

最后清除标志位，阻塞用户程序的下一次 read。

如果你发现自己的驱动 APP 跑起来后 CPU 占用100%，那一定是你的驱动没写好阻塞。一个好的驱动，应该在没活干的时候保持绝对的安静。通过等待队列，我们实现了内核与应用层之间的默契协同：不浪费一个 CPU 时钟周期，也不漏掉一次按键触发。

5. 运行测试

到这里，我们主要的逻辑，中断上下半部以及阻塞 I/O 已经全部讲完了，本章我们进行测试，看看我们的简单的用户程序能不能正确读到按键状态，看看 LED 能不能正确随着按键的按下点亮，松开熄灭。

如下图，先进入我们的代码目录：

my_button.ko 是我们等会要加载的模块，test_app 文件夹里面装的是我们的用户程序。

下面我们先加载内核驱动模块，再查看内核日志：

打印出 按键驱动加载成功！ ，说明 probe 初始化成功了。

然后我们再运行用户程序：

现在用户程序已经跑起来了，正在等我们按下按键。

但是我们先不急，另开一个终端，看看进程的 CPU 占用：

top 命令默认是按照 CPU 占用排序的，这里并没有找到我们的应用程序，恰恰说明我们的程序已经进入休眠了，正在等待按键按下，因此它并不会空耗 CPU。

下面，我们准备按下按键，同时观察用户程序、内核日志与 LED 的变化：

应用程序如下：

LED 如下：

内核日志如下：

松开按键之后，应用程序如下：

松开按键，应用程序打印完毕之后，再次休眠，等待下一次案件动作。

到这里，按键驱动就全部拆解完成了。

从设备树的精准配置，到 devm 的资源管理，再到中断下半部的消抖逻辑，最后是阻塞 I/O 的协作。这套流程不仅仅是为了让一个 LED 灯亮起来，更是嵌入式 Linux 驱动开发中最通用、最标准的核心范式。

如果这篇文章帮助到你，可以关注一下我，我会持续更新《Linux驱动开发》这个专栏。

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