基于Linux內核的鍵盤模擬實現

1 引言

當前，由于Linux資源完全公開，使得Linux的發展日益廣泛快速。基于Linux的各種應用已逐漸深入日常生活的方方面面，尤其是在嵌入式領域，由于內核可裁減定制，因此可隨意地根據用戶需求進行整個系統的定制與重構。其中，我們可以通過對各種標準外部設備的驅動進行改造，從而實現用戶對標準設備的特定需求，例如可以通過對鍵盤的模擬來實現操作的自動化，從而可以避免重復的鍵盤操作。

2 Linux內核支持的外部調用接口

由于Linux內核作為系統最深層次的核心，因此外部的開發人員并不能直接對內核進行操作。然而在一些應用程序的開發過程中，又不得不使用內核的某些功能，因此就提供了一些外部接口供開發人員直接與底層內核打交道。

2.1 中斷

在Linux 下，硬件中斷叫做IRQ(Interrupt Requests)。有兩種IRQ，短類型和長類型。短IRQ需要很短的時間，在此期間機器的其他部分被鎖定，而且沒有其他中斷被處理。一個長IRQ需要較長的時間，在此期間可能發生其他中斷(但不是發自同一個設備)。如果可能的話，最好把一個中段聲明為長類型。如果CPU接到一個中斷，它就會停止一切工作(除非它正在處理一個更重要的中斷，在這種情況下要等到更重要的中斷處理結束后才會處理這個中斷)，把相關的參數存儲到棧里，然后調用中斷處理程序。這意味著在中斷處理程序本身中有些事情是不允許的，因為這時系統處在一個未知狀態。解決這個問題的方法是讓中斷處理程序做需要馬上做的事，通常是從硬件讀取信息或給硬件發送信息，然后把對新信息的處理調度到以后去做。

實現的方法是在接到相關的IRQ(在Intel平臺上有16個IRQ)時調用中斷處理程序。這個函數接到IRQ號碼、函數名、標志、一個/proc/interrupts的名字和傳給中斷處理程序的一個參數。標志中可以包括 SA_SHIRQ來表明你希望和其他處理程序共享此IRQ(通常很多設備公用一個IRQ)，或者一個SA_INTERRUPT表明這是一個緊急中斷。這個函數僅在此IRQ沒有其他處理程序或需要共享所有處理程序時才會成功運行。

2.2 系統調用

系統調用發生在用戶進程，通過一些特殊的函數來請求內核提供服務。這時，用戶進程被掛起，內核驗證用戶請求，嘗試執行并把結果反饋給用戶進程，接著用戶進程重新啟動。一般當前系統的系統調用作為一張表sys_call_table進行定義的，是由指向實現各種系統調用的內核函數的函數指針組成的表。具體參數參見Linux內核源代碼arch/i386/kernel/entry.S文件中:

ENTRY(sys_call_table)

l long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)

/* 0 - old setup() system call*/

l long SYMBOL_NAME(sys_exit)

…

l long SYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)

/* streams2 */

l long SYMBOL_NAME(sys_vfork)

/* 190 */

2.3 鉤子函數

鉤子(HOOK)是Linux系統中非常重要的系統接口，用它可以截獲并處理送給其他應用程序的消息，來完成普通應用程序難以實現的功能。鉤子可以監視系統或進程中的各種事件消息，截獲發往目標的消息并進行處理。這樣就可以在系統中安裝自定義的鉤子，監視系統中特定事件的發生，完成特定的功能，比如截獲鍵盤、鼠標的輸入，屏幕取詞，日志監視等等。可見，利用鉤子可以實現許多特殊而有用的功能。

3 鍵盤工作機理

CPU對外部設備的管理是通過中斷程序進行的，鍵盤也是一種外部設備，因此，CPU對鍵盤的管理也是通過中斷進行的。當你擊打鍵盤的時候，鍵盤控制器會向CPU提出中斷申請，CPU響應此中斷進行處理，這就完成了一次很簡單與人之間通過鍵盤進行的交互。

首先，當輸入一個鍵盤值的時候，鍵盤將會發送相應的scancodes給鍵盤驅動。一個獨立的擊鍵可以產生一個六個scancodes的隊列。鍵盤驅動中的 handle_ scancode()函數解析scancodes流并通過kdb_translate()函數里的轉換表(translation-table)將擊鍵事件和鍵的釋放事件(key release events)轉換成連續的keycode。例如，'a'的keycode是30。擊鍵'a'的時候便會產生keycode 30。釋放a鍵的時候會產生keycode 158(128+30)。

然后，這些keycode通過對keymap的查詢被轉換成相應key符號。獲得的字符被送入raw tty隊列—tty_flip_buffer。receive_buf()函數周期性的從tty_flip_buffer中獲得字符，然后把這些字符送入 tty read隊列。

當用戶進程需要得到用戶的輸入的時候，它會在進程的標準輸入(stdin)調用read()函數。sys_read()函數調用定義在相應的tty設備(如/dev/tty0)的file_operations結構中指向tty_read的read()函數來讀取字符并且返回給用戶進程。

4 鍵盤模擬的實現

通常情況下，對鍵盤模擬的實現一般是通過寫一個自己的鍵盤中斷句柄來實現，但這種方法容易導致系統崩潰。因此,在這種方法的基礎上可以利用勾子函數來實現。

如附圖所示，這里主要用到的勾子函數包括handle_ scancode()，put_queue()，receive_buf()，tty_read()和sys_read()等函數。

4.1 handle_scancode函數

handle_scancode函數是鍵盤驅動程序中的一個入口函數(參見文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):

void handle_scancode(unsigned char scancode, int down);

這里通過替換原始的handle_scancode()函數來實現紀錄所有的scancode。即將原始的值保存，把新的值注冊進去，從而實現所需要的功能，最后再調用回到原始值的情況下。當此新的功能函數完成后，我們就可以記錄下鍵盤上的正確的擊鍵行為了(其中可以包括一些特殊的key，如ctrl， alt，shift，print screen等等)。

4.2 put_queue函數

handle_scancode()函數會調用put_queue函數，用來將字符放入tty_queue。

put_queue函數在內核中定義如下:

void put_queue(int ch)

{

wake_up(keypress_wait);

if (tty) {

tty_insert_flip_char(tty, ch, 0);

con_schedule_flip(tty); }}

4.3 receive_buf函數