Linux 输入子系统

Linx

24. Linux 输入子系统

Linux 输入子系统（Linux Input Subsystem）是 Linux 内核中负责处理各种输入设备（如键盘、鼠标、触摸屏、游戏控制器等）事件的核心组件。它为用户空间提供了统一的输入接口，使得不同类型的输入设备能够以一致的方式进行管理和使用。

24.1 概述

Linux 输入子系统负责管理和处理所有输入设备生成的事件。它提供了一套标准化的接口，使得驱动开发者无需关心具体硬件的细节，只需按照规范将事件报告给内核，用户空间的应用程序便能够统一处理这些事件。
主要功能包括：

设备管理：注册、注销和管理输入设备。
事件处理：捕获、转换和分发输入事件。
用户空间接口：通过设备节点（如 /dev/input/eventX）将事件传递给用户空间应用程序。

24.2 输入子系统的框架

Linux 输入子系统的架构可以分为以下几个主要组件：

输入核心（Input Core）
输入设备驱动（Input Device Drivers）
事件接口（Event Interface）
用户空间处理库（如 evdev、libinput）
应用程序

层次框图如下：

+-------------------------------------------------------------+
|                         应用层                               |
|  (如 GNOME、KDE、Qt、GTK、浏览器等与用户交互的应用程序)        |
+-------------------------------------------------------------+
                           ↑
                           |
+-------------------------------------------------------------+
|                    图形服务器（Display Server）              |
|        (如 X11 Server, Wayland, Mir，负责与显示设备交互)      |
+-------------------------------------------------------------+
                           ↑
                           |
+-------------------------------------------------------------+
|                         libinput                            |
|      (用户空间库，处理触摸屏、鼠标、键盘等输入事件)            |
+-------------------------------------------------------------+
                           ↑
                           |
+-------------------------------------------------------------+
|                      evdev (Event Device)                   |
|  (Linux 内核的 evdev 接口，通过 /dev/input/eventX 传递事件)   |
+-------------------------------------------------------------+
                           ↑
                           |
+-------------------------------------------------------------+
|                   Linux Input 子系统 (Input Subsystem)       |
|   (处理来自输入设备的事件，如触摸屏、鼠标、键盘等输入事件)      |
+-------------------------------------------------------------+
                           ↑
                           |
+-------------------------------------------------------------+
|                    触摸屏驱动 (Touchscreen Driver)           |
|  (通过 I²C、SPI、USB 等与硬件通信，将原始数据转化为输入事件)   |
+-------------------------------------------------------------+
                           ↑
                           |
+-------------------------------------------------------------+
|                       硬件层 (Touchscreen Hardware)          |
|            (如电容式或电阻式触摸屏控制器和触摸面板)            |
+-------------------------------------------------------------+

24.2.1 硬件层 (Touchscreen Hardware)

触摸屏硬件是最底层的物理设备，包括电容式或电阻式触摸屏面板和控制器。触摸屏控制器通过 I²C、SPI 或 USB 与设备主板通信，传递触摸输入数据（如触摸位置、压力等）。

24.2.2 触摸屏驱动 (Touchscreen Driver)

触摸屏驱动是在 Linux 内核中运行的代码，通过内核接口与触摸屏硬件通信。驱动程序将硬件传递的原始数据（如坐标、压力等）转换为标准的输入事件（如 EV_ABS 事件），并通过 Linux 输入子系统传递这些事件。

24.2.3 Linux 输入子系统 (Input Subsystem)

输入子系统 是 Linux 内核的一部分，负责处理来自所有输入设备的事件（如键盘、鼠标、触摸屏等）。通过子系统，设备驱动可以注册设备并报告事件，内核会统一管理这些事件并传递给上层。
evdev 是 Linux 中用来管理输入设备的一个接口，所有输入设备的事件都通过 /dev/input/eventX 文件导出到用户空间。

比如在设备上可以查看到如下输入设备(不同设备有差别，如插入键盘鼠标等):

neardi@LPA3588:~/drivers/input$ ls /dev/input/
by-id  by-path  event0  event1  event2  event3  event4  event5  event6  event7
neardi@LPA3588:~/drivers/input$ ls /dev/input/by-id -l
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 usb-RAPOO_Rapoo_2.4G_Wireless_Device-event-if01 -> ../event4
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 usb-RAPOO_Rapoo_2.4G_Wireless_Device-event-mouse -> ../event3
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 usb-RAPOO_Rapoo_2.4G_Wireless_Device-if02-event-kbd -> ../event6
neardi@LPA3588:~/drivers/input$ ls /dev/input/by-path -l
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 platform-es8388-sound-event -> ../event2
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 platform-feb20000.spi-platform-rk805-pwrkey.3.auto-event -> ../event0
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 platform-hdmi0-sound-event -> ../event7
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 platform-xhci-hcd.6.auto-usb-0:1.3:1.0-event-mouse -> ../event3
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 platform-xhci-hcd.6.auto-usb-0:1.3:1.1-event -> ../event4
lrwxrwxrwx 1 root root 9 Sep 29 18:04 platform-xhci-hcd.6.auto-usb-0:1.3:1.2-event-kbd -> ../event6

24.2.4 evdev (Event Device)

evdev 是 Linux 内核中的输入设备事件接口。触摸屏、鼠标、键盘等设备的输入事件都会通过 /dev/input/eventX 的文件节点传递给用户空间程序。开发者可以使用工具（如 evtest）读取这个设备文件，直接查看输入事件。

主要功能：

读取输入事件：应用程序可以通过读取 eventX 文件获取输入事件。
获取设备信息：使用 ioctl 调用获取设备的详细信息，如支持的事件类型、按键布局等。

下面的代码是获取输入设备的名称和事件类型：

#include <linux/input.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/input/event0", O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
        perror("Cannot open device");
        return 1;
    }

    char name[256] = "Unknown";
    ioctl(fd, EVIOCGNAME(sizeof(name)), name);
    printf("Device name: %s\n", name);

    close(fd);
    return 0;
}

编译及运行此app，如下：

neardi@LPA3588:~/drivers/input$ aarch64-linux-gnu-g++ -o app app.cpp
neardi@LPA3588:~/drivers/input$ sudo ./app
Device name: rk805 pwrkey

24.2.5 libinput

libinput 是一个用户空间库，用于处理来自输入设备的事件。它封装了 evdev，并提供了更高级别的输入事件处理功能，如手势识别、多点触控、设备配置等。

主要功能：

统一管理多种输入设备。
提供手势识别和多点触控支持。
支持设备配置和属性管理。

下面代码是使用 libinput 监听输入事件，创建testinput.cpp，如下：

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

static int open_restricted(const char *path, int flags, void *user_data)
{
    int fd = open(path, flags);
    if (fd < 0)
        fprintf(stderr, "Failed to open %s: %m\n", path);
    return fd;
}

static void close_restricted(int fd, void *user_data)
{
    close(fd);
}

int main()
{
    struct libinput *li;
    struct libinput_event *event;
    struct libinput_interface interface = {
        .open_restricted = open_restricted,
        .close_restricted = close_restricted,
    };

    li = libinput_path_create_context(&interface, NULL);
    if (!li)
    {
        fprintf(stderr, "Failed to create libinput context\n");
        return -1;
    }

    if (libinput_path_add_device(li, "/dev/input/event6") == NULL)
    {
        fprintf(stderr, "Failed to add input device\n");
        libinput_unref(li);
        return -1;
    }

    libinput_dispatch(li);

    while (1)
    {
        libinput_dispatch(li);
        while ((event = libinput_get_event(li)) != NULL)
        {
            enum libinput_event_type type = libinput_event_get_type(event);

            switch (type)
            {
            case LIBINPUT_EVENT_KEYBOARD_KEY:
            {
                struct libinput_event_keyboard *kbevent = libinput_event_get_keyboard_event(event);
                uint32_t key = libinput_event_keyboard_get_key(kbevent);
                enum libinput_key_state state = libinput_event_keyboard_get_key_state(kbevent);
                printf("Keyboard event: key %u, state %s\n", key, state == LIBINPUT_KEY_STATE_PRESSED ? "PRESSED" : "RELEASED");
                break;
            }
            case LIBINPUT_EVENT_POINTER_MOTION:
            {
                struct libinput_event_pointer *ptevent = libinput_event_get_pointer_event(event);
                double dx = libinput_event_pointer_get_dx(ptevent);
                double dy = libinput_event_pointer_get_dy(ptevent);
                printf("Pointer motion: dx=%.2f, dy=%.2f\n", dx, dy);
                break;
            }
            case LIBINPUT_EVENT_POINTER_BUTTON:
            {
                struct libinput_event_pointer *ptevent = libinput_event_get_pointer_event(event);
                uint32_t button = libinput_event_pointer_get_button(ptevent);
                enum libinput_button_state state = libinput_event_pointer_get_button_state(ptevent);
                printf("Pointer button: button %u, state %s\n", button, state == LIBINPUT_BUTTON_STATE_PRESSED ? "PRESSED" : "RELEASED");
                break;
            }
            case LIBINPUT_EVENT_TOUCH_DOWN:
            {
                struct libinput_event_touch *touchevent = libinput_event_get_touch_event(event);
                double x = libinput_event_touch_get_x(touchevent);
                double y = libinput_event_touch_get_y(touchevent);
                printf("Touch down at (%.2f, %.2f)\n", x, y);
                break;
            }
            case LIBINPUT_EVENT_TOUCH_UP:
            {
                printf("Touch up event\n");
                break;
            }
            default:
                printf("Other event type: %d\n", type);
                break;
            }

            libinput_event_destroy(event);
        }
        usleep(10000); // sleep a moment to avoid 100% CPU performance.
    }

    libinput_unref(li);
    return 0;
}

编译及运行测试

首先安装依赖库，如下：

neardi@LPA3588:~/drivers/input$ sudo apt-get install libinput-dev  libudev-dev

编译及运行测试，如下：

neardi@LPA3588:~/drivers/input$ aarch64-linux-gnu-g++ -o test testinput.cpp -linput -ludev
neardi@LPA3588:~/drivers/input$ sudo ./test
Other event type: 1
Keyboard event: key 18, state PRESSED
Keyboard event: key 18, state RELEASED
Keyboard event: key 19, state PRESSED
Keyboard event: key 19, state RELEASED
Keyboard event: key 28, state PRESSED
Keyboard event: key 28, state RELEASED

24.2.6 图形服务器 (Display Server)

图形服务器

如 X11 Server 或 Wayland负责管理显示设备，并处理来自输入设备的事件。它从 libinput 获取处理后的事件，将其传递给用户空间的应用程序。

X11 Server 是传统的图形服务器，它依赖 libinput 来处理输入事件，然后将这些事件传递给 X11 客户端应用程序。
Wayland 是新一代图形服务器协议，相比 X11，Wayland 将输入事件处理和显示事件更加紧密地集成在一起，通过 libinput 处理输入事件。

24.2.7 应用层 (Application Layer)

应用程序是最终使用这些输入事件的地方。例如：

桌面环境（如 GNOME、KDE）使用触摸屏事件来处理桌面交互。
触摸友好的应用程序（如浏览器、绘图工具）通过 libinput 和图形服务器获取触摸事件，并响应用户的操作。

24.3 总结

Linux 输入子系统作为内核中处理输入设备的核心组件，提供了统一和标准化的接口，使得不同类型的输入设备能够高效地进行管理和使用。理解其框架、工作原理和数据流，对于开发和调试输入设备驱动至关重要。