Windows CE設備小巧玲瓏 矩陣鍵盤開發(fā)

嵌入式移動設備的應用越來越廣，以其體積小、重量輕、便于攜帶等特點而備受青睞。鍵盤是一種最為普遍使用的輸入工具，但嵌入式移動設備因其體積小的特點決定了它的鍵盤不大可能采用普通PC機上的標準鍵盤，因而大多數采用鍵數相對較少的矩陣鍵盤。
利用矩陣鍵盤用戶可以很方便的實現對嵌入式移動設備進行相應的操作，是極方便的人機交互設備。隨著微軟的嵌入式操作系統Windows CE的普及，Windows CE的矩陣鍵盤開發(fā)得到了越來越多開發(fā)者的重視，本文與大家分享我在開發(fā)矩陣鍵盤的一些總結。

1．Windows CE驅動分類

Windows CE提供了許多用于開發(fā)設備驅動的模型，這些驅動程序模型使得Windows CE 能適應大部分的內部和外圍設備。因此，在深入探討Windows CE矩陣鍵盤驅動程序之前，先了解在WinCE平臺上使用的兩種設備：內建設備和可安裝設備。因此，從驅動加載方式來看WinCE可分為本機設備驅動（Built-In Driver）、可加載驅動（Loadable Driver）。

本機設備驅動即Native Device Drivers，WinCE設計成可直接使用內建設備，這些設備由本機驅動過程控制。本機驅動程序是與WinCE的核心組件緊密相連，這些驅動對應的設備通常在系統啟動時，在GWES的進程空間內被加載，因此它們不是以獨立的DLL形式存在?？杉虞d設備是指可與平臺連接和分離的第三方接口設備，可由用戶隨時安裝和卸載這些驅動，可以在系統啟動時或者和啟動后的任何時候由設備管理器動態(tài)加載。通常這類驅動是以DLL動態(tài)鏈接庫的形式存在，系統加載后這些驅動程序是以用戶態(tài)的角色運行，這種外圍設備的驅動也被稱為流驅動。

兩者的差別在于它們提供的編程接口不同：本地設備驅動可以根據具體設備的需求提供本機的相應接口；而流接口驅動則是提供一組通用接口即流接口函數，應用程序可以通過流接口提供的接口函數來訪問外圍設備。

2．嵌入式矩陣鍵盤驅動原理

嵌入式設備上的鍵盤受設備本身體積影響，鍵盤設計大多數采用矩陣形式。支持Windows CE系統的CPU有很多種，不同CPU之間矩陣鍵盤硬件設計也不盡相同。因此，鍵盤可以按照自定義布局，并且可以按照自己的喜好映射按鍵，從而實現按鍵的不同功能，包括按鍵的個數、布局及按鍵功能的配置。

（1）矩陣鍵盤驅動核心是中斷處理
矩陣鍵盤一般是采用中斷方式，因此矩陣鍵盤驅動首先要在OAL層加入中斷源。簡單的說，矩陣鍵盤驅動的主要作用就是實時監(jiān)測外部按鍵中斷，一旦發(fā)現外部有鍵按下就向內核發(fā)送鍵盤消息實現鍵盤輸入功能。這時鍵盤驅動會創(chuàng)建中斷服務線程和鍵盤中斷事件，每個按鍵對應一個鍵盤中斷事件。因此，矩陣鍵盤驅動的設計核心就是鍵盤中斷處理的設計。

（2）中斷服務例程（ISR）
矩陣鍵盤作為輸入設備一般以默認的頻率掃描鍵盤，當有按鍵被按下時，通過掃描鍵盤并生成相應的掃描碼，并通過處理器中的中斷產生器產生一個中斷信號，這時內核會進入異常中斷處理程序，由它屏蔽所有中斷，再調用中斷服務例程ISR得到該中斷的邏輯中斷標識。然后，中斷服務例程把得到對應的中斷標識符報告給系統任務調度進程，同時產生鍵盤中斷事件，鍵盤中斷服務線程響應鍵盤中斷事件，開始掃描矩陣鍵盤。然后，再通過這個中斷信號控制相應的程序獲取與之相對應的虛擬碼，最后此虛擬碼由上層調用，實現按下此鍵的相應功能。鑒于ISR的任務比較單一，ISR通常都要求越短、越快越好。

（3）中斷服務線程（IST）
中斷服務例程以鍵盤中斷的邏輯中斷標識符形式返回給系統任務調度進程，中斷服務線程則在矩陣鍵盤驅動中負責具體中斷處理。因此，矩陣鍵盤驅動的中斷事件HANDLE hKEYEvents要分別對應矩陣鍵盤產生的中斷。一般來說，中斷服務例程較小，并且只做很少的處理工作，中斷服務線程就必須完成大多數中斷處理工作，包括響應中斷、掃描按鍵位置、發(fā)送鍵盤消息等。

例如，在矩陣鍵盤驅動IST中會先調用CreateEvent函數創(chuàng)建事件對象，接著調用系統函數InterruptInitialize完成中斷。完成這些初始化工作后，接著調用 WaitForMultipleObjects (hKEYEvents)函數進入鍵盤事件的等待隊列中。最后，當有事件被捕獲后，根據不同的事件類型進入不同的鍵盤掃描處理程序。

3．矩陣鍵盤驅動程序的設計和實現

（1）矩陣鍵盤驅動程序模型
Windows CE的最大好處是具有可定制性，當它自帶的驅動程序不能滿足用戶的要求時，用戶可以自己編寫相應的驅動程序。Windows CE一般可以分為獨立驅動和層次型驅動兩類。獨立驅動程序是指將驅動程序編寫成同時包含Model Device Driver（MDD）和Platform Dependent Driver（PDD）的獨立驅動。層次型驅動是指分為兩層，較上層的MDD和比較下層的PDD。其中MDD實現的是和平臺無關的功能，它描述了一個通用的驅動程序框架；而PDD是和硬件以及平臺相關的代碼組成，MDD調用PDD中特定的接口來獲取硬件相關的信息。

矩陣鍵盤驅動一般是層次型的，故驅動程序由兩個獨立的層組成：上層是模型設備驅動程序（MDD），映射矩陣鍵盤掃描碼到虛擬鍵的編碼上，產生與虛擬鍵編碼相關的字符。然后打包鍵盤信息，并將此信息輸入到系統信息隊列中。下層是依賴平臺的驅動程序（PDD），它將從硬件重新獲得掃描碼。設備驅動程序服務器提供的接口（DDSI）是在PDD中的函數集實現，并由MDD調用。由于微軟提供了所有與MDD模塊相關的源代碼，所以對這部分不用做任何改動，只需將自己的PDD模塊與MDD模塊鏈結成一個公用庫即可。

矩陣鍵盤驅動DDI函數是在MDD層實現，由用戶應用程序通過GWES子系統調用。其中DDI函數有：KeybdDriverGetInfo、KeybdDriverSetMode、KeybdDriverPowerHandler、KeybdDriverInitializeEx、KeybdDriverInitStates、KeybdDriverVKeyToUnicode、KeybdDriverMapVirtualKey。而DDSI函數是在PDD層實現，由MDD層調用。DDSI函數有：KeybdPdd_PowerHandler、KeybdPdd_InitializeDriverEx、KeybdPdd_GetEventEx、DllMain。
　　
（2）矩陣鍵盤驅動的接口函數
流接口驅動程序的主要任務就是把外設的使用傳遞給應用程序，是通過把設備表示為文件系統的一個特殊文件來實現的，每個流接口的驅動程序都必須實現一組標準的接口函數。由于矩陣鍵盤驅動采用了流驅動模式設計，故矩陣鍵盤驅動使用標準的流驅動接口函數，也稱為矩陣鍵盤驅動的DLL接口。

但因為矩陣鍵盤作為一種輸入設備與其他外圍設備有很大的區(qū)別，應用層不能對其發(fā)布命令來操作它。所以，一般流驅動接口函數中對設備進行操作的接口函數在矩陣鍵盤驅動中只是作了保留，并未有實質性的功能。其中，矩陣鍵盤接口函數中比較重要的有PWR_Init、PWR_DllEntry、KeypdPdd_GetEventEx、KeypdPdd_GetEventEx、ScanCodeToVKeyEx等。

（3）矩陣鍵盤驅動加載過程
Windows CE系統運行時會默認啟動DEVICE.EXE進程。DEVICE.EXE負責加載所有流驅動，進程對流驅動的加載是通過注冊表列舉器（RegEnum.dll）來實現。矩陣鍵盤的資源信息由OEM適配層（OAL）記錄在注冊表中，RegEnum.dll是通過掃描注冊表項 HKEYLOCALMACHINEDriversBuiltInPWRBUTTON下的鍵值對矩陣鍵盤進行初始化的。

因此，WinCE輸入系統（GWES）會在啟動時裝載鍵盤驅動，輸入系統將從HKEY_LOCAL_MACHINEHardwareDeviceMapKEYBDDrivername注冊鍵中獲取矩陣鍵盤驅動動態(tài)鏈接庫（DLL）的名字。如果沒有找到入口函數，系統將使用默認名字Keybddr.dll，然后加載這個DLL文件，并且確認所需要的條目指針是否都存在。然后，系統調用PFN_KEYBD_DRIVER_INITIALIZE 函數執(zhí)行初始化工作。這時，模型設備驅動程序（MDD）會在本地保存復制的一份輸入系統回調函數的副本以及初始化硬件和IST來處理中斷。

當一個中斷信號來的時候，鍵盤驅動負責把硬件掃描碼轉換為虛擬鍵值，然后虛擬鍵值會再發(fā)送給輸入系統。輸入系統從隊列中取出按鍵事件，然后返回到驅動程序的函數KeybdDriverVKeyToUnicode中。驅動程序根據分析特定的鍵事件和虛擬鍵的狀態(tài)產生相應的字符。最后，輸入系統把虛擬鍵值和字符發(fā)送給合適的程序。

例如，在我所用的CAYMAN開發(fā)板中，鍵盤驅動的動態(tài)鏈接庫名字為KeyPad.dll，入口點為DllMain，中斷服務線程（IST）的名字是m_hevInterrupt。這個線程調用函數InterruptInitialize注冊SYSINTR_KEYBOARD中斷，然后等待系統發(fā)出SYSINTR_KEYBOARD信號。系統在收到中斷信號后，中斷處理程序調用KeypdPdd_GetEventEx函數來獲取按鍵的掃描碼，然后再調用ScanCodeToVKeyEx函數將掃描碼映射成虛擬碼，把從PDD返回的鍵盤事件發(fā)送到輸入系統，輸入系統進行排隊并分發(fā)給相應的應用程序。

一般來說，對于Windows CE特殊布局的按鍵式矩陣鍵盤來說，使用流接口驅動模式能快速有效的進行開發(fā)。因為可以盡量使用微軟提供的樣板程序，只需修改相應的硬件相關代碼就能大大縮短開發(fā)流程，而且可以提高鍵盤驅動程序的可靠性。