Windows CE矩阵键盘开发大有乾坤 01

samwalton

随着现代计算机技术的飞速发展和互联网技术的广泛应用，从pc时代过渡到了以个人数字助理、手持个人电脑和信息家电为代表的3c(计算机、通信、消费电子)一体的后pc时代。后pc时代里，嵌入式系统扮演了越来越重要的角色，被广泛应用于信息电器、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。嵌入式系统的开发也成为近年it行业的技术热点。

完成简单功能的嵌入式系统一般不需要操作系统，如以前许多m cs51系列单片机组成的小系统就只是利用软件实现简单的控制环路。但是随着所谓后pc时代的来临，嵌入式系统设计日趋复杂，嵌入式操作系统就必不可少了。

一般而言，嵌入式操作系统不同于一般意义的计算机操作系统，它有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。

从八十年代起，国际上就有一些it组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统，如microsoft公司的 wince和windriversystem公司的vxworks就分别是非实时和实时嵌入式操作系统的代表。但是商用产品的造价都十分昂贵，用于一般用途会提高产品成本从而失去竞争力。

uc/os和uclinux操作系统是两种性能优良源码公开且被广泛应用的的免费嵌入式操作系统，可以作为研究实时操作系统和非实时操作系统的典范。本文通过对 uc/os和uclinux的对比，分析和总结了嵌入式操作系统应用中的若干重要问题，归纳了嵌入式系统开发中操作系统的选型依据。

两种开源嵌入式操作系统介绍

uc/os和uclinux操作系统，是当前得到广泛应用的两种免费且公开源码的嵌入式操作系统。uc/os适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2k。uclinux则是继承标准linux 的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准linux先验知识等优势。其编译后目标文件可控制在几百k量级。

uc/os是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管理和中断服务等功能。

uclinux是一种优秀的嵌入式linux版本。uclinux是micro-conrol-linux的缩写。同标准linux相比，它集成了标准linux操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。但是由于没有mmu(内存管理单元)，其多任务的实现需要一定技巧。

两种嵌入式操作系统主要性能比较

嵌入式操作系统是嵌入式系统软硬件资源的控制中心，它以尽量合理的有效方法组织多个用户共享嵌入式系统的各种资源。其中用户指的是系统程序之上的所有软件。所谓合理有效的方法，指的就是操作系统如何协调并充分利用硬件资源来实现多任务。复杂的操作系统都支持文件系统，方便组织文件并易于对其规范化操作。

嵌入式操作系统还有一个特点就是针对不同的平台，系统不是直接可用的，一般需要经过针对专门平台的移植操作系统才能正常工作。进程调度、文件系统支持和系统移植是在嵌入式操作系统实际应用中最常见的问题，下文就从这几个角度入手对uc/os和uclinux进行分析比较。


进程调度其中0为最高优先级。调度工作的内容可以分为两部分：最高优先级任务的寻找和任务切换。

其最高优先级任务的寻找是通过建立就绪任务表来实现的。uc/os中的每一个任务都有独立的堆栈空间，并有一个称为任务控制块tcb(task control block)数据结构，其中第一个成员变量就是保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量 ostcbhighrdy记录当前最高级就绪任务的tcb地址，然后调用os_task_sw() 函数来进行任务切换。

uclinux的进程调度沿用了linux的传统，系统每隔一定时间挂起进程，同时系统产生快速和周期性的时钟计时中断，并通过调度函数(定时器处理函数)决定进程什么时候拥有它的时间片。然后进行相关进程切换，这是通过父进程调用fork 函数生成子进程来实现的。

uclinux系统fork调用完成后，要么子进程代替父进程执行(此时父进程已经 sleep)，直到子进程调用exit退出；要么调用exec执行一个新的进程，这个时候产生可执行文件的加载，即使这个进程只是父进程的拷贝，这个过程也不可避免。当子进程执行exit或exec后，子进程使用wakeup把父进程唤醒，使父进程继续往下执行。

uclinux由于没有mmu管理存储器，其对内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统队内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。这就需要实现多进程时进行数据保护，也导致了用户程序使用的空间可能占用到系统内核空间，这些问题在编程时都需要多加注意，否则容易导致系统崩溃。

由上述分析可以得知，uc/os内核是针对实时系统的要求设计实现的，相对简单，可以满足较高的实时性要求。而uclinux则在结构上继承了标准linux的多任务实现方式，仅针对嵌入式处理器特点进行改良。其要实现实时性效果则需要使系统在实时内核的控制下运行，rt-linux就是可以实现这一个功能的一种实时内核。


文件系统所谓文件系统是指负责存取和管理文件信息的机构，也可以说是负责文件的建立、撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所需要的资源(如目录表、存储介质等)实施管理的软件部分。

uc/os是面向中小型嵌入式系统的，如果包含全部功能(信号量、消息邮箱、消息队列及相关函数)，编译后的uc/os内核仅有6~10kb，所以系统本身并没有对文件系统的支持。但是uc/os具有良好的扩展性能，如果需要的话也可自行加入文件系统的内容。

uclinux则是继承了linux完善的文件系统性能。其采用的是romfs文件系统，这种文件系统相对于一般的ext2文件系统要求更少的空间。空间的节约来自于两个方面，首先内核支持romfs文件系统比支持ext2文件系统需要更少的代码，其次romfs文件系统相对简单，在建立文件系统超级块(superblock)需要更少的存储空间。romfs文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟ram盘的方法进行处理(ram盘将采用ext2文件系统)。

uclinux还继承了linux网络操作系统的优势，可以很方便的支持网络文件系统且内嵌tcp/ip协议，这为uclinux开发网络接入设备提供了便利。

由两种操作系统对文件系统的支持可知，在复杂的需要较多文件处理的嵌入式系统中uclinux是一个不错的选择。而uc/os则主要适合一些控制系统。


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嵌入式移动设备的应用越来越广，以其体积小、重量轻、便于携带等特点而备受青睐。键盘是一种最为普遍使用的输入工具，但嵌入式移动设备因其体积小的特点决定了它的键盘不大可能采用普通PC机上的标准键盘，因而大多数采用键数相对较少的矩阵键盘。
利用矩阵键盘用户可以很方便的实现对嵌入式移动设备进行相应的操作，是极方便的人机交互设备。随着微软的嵌入式操作系统Windows CE的普及，Windows CE的矩阵键盘开发得到了越来越多开发者的重视，本文与大家分享我在开发矩阵键盘的一些总结。


1．Windows CE驱动分类

Windows CE提供了许多用于开发设备驱动的模型，这些驱动程序模型使得Windows CE 能适应大部分的内部和外围设备。因此，在深入探讨Windows CE矩阵键盘驱动程序之前，先了解在WinCE平台上使用的两种设备：内建设备和可安装设备。因此，从驱动加载方式来看WinCE可分为本机设备驱动（Built-In Driver）、可加载驱动（Loadable Driver）。
本机设备驱动即Native Device Drivers，WinCE设计成可直接使用内建设备，这些设备由本机驱动过程控制。本机驱动程序是与WinCE的核心组件紧密相连，这些驱动对应的设备通常在系统启动时，在GWES的进程空间内被加载，因此它们不是以独立的DLL形式存在。可加载设备是指可与平台连接和分离的第三方接口设备，可由用户随时安装和卸载这些驱动，可以在系统启动时或者和启动后的任何时候由设备管理器动态加载。通常这类驱动是以DLL动态链接库的形式存在，系统加载后这些驱动程序是以用户态的角色运行，这种外围设备的驱动也被称为流驱动。
两者的差别在于它们提供的编程接口不同：本地设备驱动可以根据具体设备的需求提供本机的相应接口；而流接口驱动则是提供一组通用接口即流接口函数，应用程序可以通过流接口提供的接口函数来访问外围设备。

2．嵌入式矩阵键盘驱动原理

嵌入式设备上的键盘受设备本身体积影响，键盘设计大多数采用矩阵形式。支持Windows CE系统的CPU有很多种，不同CPU之间矩阵键盘硬件设计也不尽相同。因此，键盘可以按照自定义布局，并且可以按照自己的喜好映射按键，从而实现按键的不同功能，包括按键的个数、布局及按键功能的配置。
（1）矩阵键盘驱动核心是中断处理
矩阵键盘一般是采用中断方式，因此矩阵键盘驱动首先要在OAL层加入中断源。简单的说，矩阵键盘驱动的主要作用就是实时监测外部按键中断，一旦发现外部有键按下就向内核发送键盘消息实现键盘输入功能。这时键盘驱动会创建中断服务线程和键盘中断事件，每个按键对应一个键盘中断事件。因此，矩阵键盘驱动的设计核心就是键盘中断处理的设计。
（2）中断服务例程（ISR）
矩阵键盘作为输入设备一般以默认的频率扫描键盘，当有按键被按下时，通过扫描键盘并生成相应的扫描码，并通过处理器中的中断产生器产生一个中断信号，这时内核会进入异常中断处理程序，由它屏蔽所有中断，再调用中断服务例程ISR得到该中断的逻辑中断标识。然后，中断服务例程把得到对应的中断标识符报告给系统任务调度进程，同时产生键盘中断事件，键盘中断服务线程响应键盘中断事件，开始扫描矩阵键盘。然后，再通过这个中断信号控制相应的程序获取与之相对应的虚拟码，最后此虚拟码由上层调用，实现按下此键的相应功能。鉴于ISR的任务比较单一，ISR通常都要求越短、越快越好。
（3）中断服务线程（IST）
中断服务例程以键盘中断的逻辑中断标识符形式返回给系统任务调度进程，中断服务线程则在矩阵键盘驱动中负责具体中断处理。因此，矩阵键盘驱动的中断事件HANDLE hKEYEvents要分别对应矩阵键盘产生的中断。一般来说，中断服务例程较小，并且只做很少的处理工作，中断服务线程就必须完成大多数中断处理工作，包括响应中断、扫描按键位置、发送键盘消息等。
例如，在矩阵键盘驱动IST中会先调用CreateEvent函数创建事件对象，接着调用系统函数InterruptInitialize完成中断。完成这些初始化工作后，接着调用 WaitForMultipleObjects (hKEYEvents)函数进入键盘事件的等待队列中。最后，当有事件被捕获后，根据不同的事件类型进入不同的键盘扫描处理程序。
3．矩阵键盘驱动程序的设计和实现

（1）矩阵键盘驱动程序模型
Windows CE的最大好处是具有可定制性，当它自带的驱动程序不能满足用户的要求时，用户可以自己编写相应的驱动程序。Windows CE一般可以分为独立驱动和层次型驱动两类。独立驱动程序是指将驱动程序编写成同时包含Model Device Driver（MDD）和Platform Dependent Driver（PDD）的独立驱动。层次型驱动是指分为两层，较上层的MDD和比较下层的PDD。其中MDD实现的是和平台无关的功能，