基于Linux內(nèi)核的鍵盤模擬實現(xiàn)

關鍵詞： 系統(tǒng)調(diào)用   勾子函數(shù)   鍵盤模擬

1  引言
當前，由于Linux資源完全公開，使得Linux的發(fā)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(nèi)核可裁減定制，因此可隨意地根據(jù)用戶需求進行整個系統(tǒng)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(qū)動進行改造，從而實現(xiàn)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(xiàn)操作的自動化，從而可以避免重復的鍵盤操作。

2  Linux內(nèi)核支持的外部調(diào)用接口
由于Linux內(nèi)核作為系統(tǒng)最深層次的核心，因此外部的開發(fā)人員并不能直接對內(nèi)核進行操作。然而在一些應用程序的開發(fā)過程中，又不得不使用內(nèi)核的某些功能，因此就提供了一些外部接口供開發(fā)人員直接與底層內(nèi)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(fā)生其他中斷(但不是發(fā)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(shù)存儲到棧里，然后調(diào)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(tǒng)處在一個未知狀態(tài)。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(fā)送信息，然后把對新信息的處理調(diào)度到以后去做。
實現(xiàn)的方法是在接到相關的IRQ(在Intel平臺上有16個IRQ)時調(diào)用中斷處理程序。這個函數(shù)接到IRQ號碼、函數(shù)名、標志、一個/proc/interrupts的名字和傳給中斷處理程序的一個參數(shù)。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(shù)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(tǒng)調(diào)用
系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生在用戶進程，通過一些特殊的函數(shù)來請求內(nèi)核提供服務。這時，用戶進程被掛起，內(nèi)核驗證用戶請求，嘗試執(zhí)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(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用作為一張表sys_call_table進行定義的，是由指向?qū)崿F(xiàn)各種系統(tǒng)調(diào)用的內(nèi)核函數(shù)的函數(shù)指針組成的表。具體參數(shù)參見Linux內(nèi)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(shù)
鉤子(HOOK)是Linux系統(tǒng)中非常重要的系統(tǒng)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(xiàn)的功能。鉤子可以監(jiān)視系統(tǒng)或進程中的各種事件消息，截獲發(fā)往目標的消息并進行處理。這樣就可以在系統(tǒng)中安裝自定義的鉤子，監(jiān)視系統(tǒng)中特定事件的發(fā)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(jiān)視等等�？梢�，利用鉤子可以實現(xiàn)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(fā)送相應的scancodes給鍵盤驅(qū)動。一個獨立的擊鍵可以產(chǎn)生一個六個scancodes的隊列。鍵盤驅(qū)動中的 handle_ scancode()函數(shù)解析scancodes流并通過kdb_translate()函數(shù)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(xù)的keycode。例如，'a'的keycode是30。擊鍵'a'的時候便會產(chǎn)生keycode 30。釋放a鍵的時候會產(chǎn)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(shù)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(diào)用read()函數(shù)。sys_read()函數(shù)調(diào)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(shù)來讀取字符并且返回給用戶進程。

4  鍵盤模擬的實現(xiàn)
通常情況下，對鍵盤模擬的實現(xiàn)一般是通過寫一個自己的鍵盤中斷句柄來實現(xiàn)，但這種方法容易導致系統(tǒng)崩潰。因此,在這種方法的基礎上可以利用勾子函數(shù)來實現(xiàn)。
如附圖所示，這里主要用到的勾子函數(shù)包括handle_ scancode()，put_queue()，receive_buf()，tty_read()和sys_read()等函數(shù)。