基于Linux内核的键盘模拟实现
http://www.51xue.org.cn 2007/6/5 源自:中华职工学习网 【字体：
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1 引言
当前，由于Linux资源完全公开，使得Linux的发展日益广泛快速。基于Linux的各种应用已逐渐深入日常生活的方方面面，尤其是在嵌入式领域，由于内核可裁减定制，因此可随意地根据用户需求进行整个系统的定制与重构。其中，我们可以通过对各种标准外部设备的驱动进行改造，从而实现用户对标准设备的特定需求，例如可以通过对键盘的模拟来实现操作的自动化，从而可以避免重复的键盘操作。
2 Linux内核支持的外部调用接口
由于Linux内核作为系统最深层次的核心，因此外部的开发人员并不能直接对内核进行操作。然而在一些应用程序的开发过程中，又不得不使用内核的某些功能，因此就提供了一些外部接口供开发人员直接与底层内核打交道。
2.1 中断
在Linux 下，硬件中断叫做IRQ(Interrupt Requests)。有两种IRQ，短类型和长类型。短IRQ需要很短的时间，在此期间机器的其他部分被锁定，而且没有其他中断被处理。一个长IRQ需要较长的时间，在此期间可能发生其他中断(但不是发自同一个设备)。如果可能的话，最好把一个中段声明为长类型。如果CPU接到一个中断，它就会停止一切工作(除非它正在处理一个更重要的中断，在这种情况下要等到更重要的中断处理结束后才会处理这个中断)，把相关的参数存储到栈里，然后调用中断处理程序。这意味着在中断处理程序本身中有些事情是不允许的，因为这时系统处在一个未知状态。解决这个问题的方法是让中断处理程序做需要马上做的事，通常是从硬件读取信息或给硬件发送信息，然后把对新信息的处理调度到以后去做。
实现的方法是在接到相关的IRQ(在Intel平台上有16个IRQ)时调用中断处理程序。这个函数接到IRQ号码、函数名、标志、一个/proc/interrupts的名字和传给中断处理程序的一个参数。标志中可以包括 SA_SHIRQ来表明你希望和其他处理程序共享此IRQ(通常很多设备公用一个IRQ)，或者一个SA_INTERRUPT表明这是一个紧急中断。这个函数仅在此IRQ没有其他处理程序或需要共享所有处理程序时才会成功运行。
2.2 系统调用
系统调用发生在用户进程，通过一些特殊的函数来请求内核提供服务。这时，用户进程被挂起，内核验证用户请求，尝试执行并把结果反馈给用户进程，接着用户进程重新启动。一般当前系统的系统调用作为一张表sys_call_table进行定义的，是由指向实现各种系统调用的内核函数的函数指针组成的表。具体参数参见Linux内核源代码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 钩子函数
钩子(HOOK)是Linux系统中非常重要的系统接口，用它可以截获并处理送给其他应用程序的消息，来完成普通应用程序难以实现的功能。钩子可以监视系统或进程中的各种事件消息，截获发往目标的消息并进行处理。这样就可以在系统中安装自定义的钩子，监视系统中特定事件的发生，完成特定的功能，比如截获键盘、鼠标的输入，屏幕取词，日志监视等等。可见，利用钩子可以实现许多特殊而有用的功能。
3 键盘工作机理
CPU对外部设备的管理是通过中断程序进行的，键盘也是一种外部设备，因此，CPU对键盘的管理也是通过中断进行的。当你击打键盘的时候，键盘控制器会向CPU提出中断申请，CPU响应此中断进行处理，这就完成了一次很简单与人之间通过键盘进行的交互。
首先，当输入一个键盘值的时候，键盘将会发送相应的scancodes给键盘驱动。一个独立的击键可以产生一个六个scancodes的队列。键盘驱动中的 handle_ scancode()函数解析scancodes流并通过kdb_translate()函数里的转换表(translation-table)将击键事件和键的释放事件(key release events)转换成连续的keycode。例如，'a'的keycode是30。击键'a'的时候便会产生keycode 30。释放a键的时候会产生keycode 158(128+30)。
然后，这些keycode通过对keymap的查询被转换成相应key符号。获得的字符被送入raw tty队列—tty_flip_buffer。receive_buf()函数周期性的从tty_flip_buffer中获得字符，然后把这些字符送入 tty read队列。
当用户进程需要得到用户的输入的时候，它会在进程的标准输入(stdin)调用read()函数。sys_read()函数调用定义在相应的tty设备(如/dev/tty0)的file_operations结构中指向tty_read的read()函数来读取字符并且返回给用户进程。
4 键盘模拟的实现
通常情况下，对键盘模拟的实现一般是通过写一个自己的键盘中断句柄来实现，但这种方法容易导致系统崩溃。因此,在这种方法的基础上可以利用勾子函数来实现。
如附图所示，这里主要用到的勾子函数包括handle_ scancode()，put_queue()，receive_buf()，tty_read()和sys_read()等函数。
4.1 handle_scancode函数
handle_scancode函数是键盘驱动程序中的一个入口函数(参见文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):
void handle_scancode(unsigned char scancode, int down);
这里通过替换原始的handle_scancode()函数来实现纪录所有的scancode。即将原始的值保存，把新的值注册进去，从而实现所需要的功能，最后再调用回到原始值的情况下。当此新的功能函数完成后，我们就可以记录下键盘上的正确的击键行为了(其中可以包括一些特殊的key，如ctrl， alt，shift，print screen等等)。
4.2 put_queue函数
handle_scancode()函数会调用put_queue函数，用来将字符放入tty_queue。
put_queue函数在内核中定义如下:
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函数
底层tty驱动调用receive_buf()这个函数用来发送硬件设备接收处理的字符。参见/usr/src/linux/drivers/char/n_tty.c:
static void n_tty_receive_buf(struct tty_struct *tty, const
unsigned char *cp, char *fp, int count)
参数cp是一个指向设备接收的输入字符的buffer的指针。参数fp是一个指向一个标记字节指针的指针。在具体的实现中，先保存原始的tty receive_buf()函数，然后重置ldisc.receive_buf到自定义的new_receive_buf()函数来记录用户的输入。
例如:要记录在终端tty1设备上的输入。
int fd = open("/dev/tty1", O_RDONLY, 0);
struct file *file = fget(fd);
struct tty_struct *tty = file->private_data;
//保存原始的receive_buf()函数
old_receive_buf = tty->ldisc.receive_buf;
//替换成新的new_receive_buf函数
tty->ldisc.receive_buf = new_receive_buf;
//新的new_receive_buf函数
void new_receive_buf(struct tty_struct *tty, const unsigned char *cp, char *fp, int count)
{
logging(tty, cp, count);
//纪录用户击键
/* 调用回原来的receive_buf */
(*old_receive_buf)(tty, cp, fp, count);
}
4.4 tty_read函数
当一个进程需要通过sys_read()函数来读取一个tty终端的输入字符时，tty_read函数就会被调用。参见文件/usr/src/linux/drives/char/tty_io.c:
static ssize_t tty_read(struct file * file, char * buf, size_t count,
loff_t *ppos)
5 结束语
目前，利用勾子函数实现基于Linux内核的键盘模拟的这种方法使用非常灵活，同时也可以跨平台进行移植，可通过tty和pts来记录下本地和远程会话的所有击键动作，并且也支持一些特殊的按键。当然，要使键盘模拟更灵活，下一步还需要更多的改进，例如增加多种不同日志记录模式的支持等。
当前，由于Linux资源完全公开，使得Linux的发展日益广泛快速。基于Linux的各种应用已逐渐深入日常生活的方方面面，尤其是在嵌入式领域，由于内核可裁减定制，因此可随意地根据用户需求进行整个系统的定制与重构。其中，我们可以通过对各种标准外部设备的驱动进行改造，从而实现用户对标准设备的特定需求，例如可以通过对键盘的模拟来实现操作的自动化，从而可以避免重复的键盘操作。
2 Linux内核支持的外部调用接口
由于Linux内核作为系统最深层次的核心，因此外部的开发人员并不能直接对内核进行操作。然而在一些应用程序的开发过程中，又不得不使用内核的某些功能，因此就提供了一些外部接口供开发人员直接与底层内核打交道。
2.1 中断
在Linux 下，硬件中断叫做IRQ(Interrupt Requests)。有两种IRQ，短类型和长类型。短IRQ需要很短的时间，在此期间机器的其他部分被锁定，而且没有其他中断被处理。一个长IRQ需要较长的时间，在此期间可能发生其他中断(但不是发自同一个设备)。如果可能的话，最好把一个中段声明为长类型。如果CPU接到一个中断，它就会停止一切工作(除非它正在处理一个更重要的中断，在这种情况下要等到更重要的中断处理结束后才会处理这个中断)，把相关的参数存储到栈里，然后调用中断处理程序。这意味着在中断处理程序本身中有些事情是不允许的，因为这时系统处在一个未知状态。解决这个问题的方法是让中断处理程序做需要马上做的事，通常是从硬件读取信息或给硬件发送信息，然后把对新信息的处理调度到以后去做。
实现的方法是在接到相关的IRQ(在Intel平台上有16个IRQ)时调用中断处理程序。这个函数接到IRQ号码、函数名、标志、一个/proc/interrupts的名字和传给中断处理程序的一个参数。标志中可以包括 SA_SHIRQ来表明你希望和其他处理程序共享此IRQ(通常很多设备公用一个IRQ)，或者一个SA_INTERRUPT表明这是一个紧急中断。这个函数仅在此IRQ没有其他处理程序或需要共享所有处理程序时才会成功运行。
2.2 系统调用
系统调用发生在用户进程，通过一些特殊的函数来请求内核提供服务。这时，用户进程被挂起，内核验证用户请求，尝试执行并把结果反馈给用户进程，接着用户进程重新启动。一般当前系统的系统调用作为一张表sys_call_table进行定义的，是由指向实现各种系统调用的内核函数的函数指针组成的表。具体参数参见Linux内核源代码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 钩子函数
钩子(HOOK)是Linux系统中非常重要的系统接口，用它可以截获并处理送给其他应用程序的消息，来完成普通应用程序难以实现的功能。钩子可以监视系统或进程中的各种事件消息，截获发往目标的消息并进行处理。这样就可以在系统中安装自定义的钩子，监视系统中特定事件的发生，完成特定的功能，比如截获键盘、鼠标的输入，屏幕取词，日志监视等等。可见，利用钩子可以实现许多特殊而有用的功能。
3 键盘工作机理
CPU对外部设备的管理是通过中断程序进行的，键盘也是一种外部设备，因此，CPU对键盘的管理也是通过中断进行的。当你击打键盘的时候，键盘控制器会向CPU提出中断申请，CPU响应此中断进行处理，这就完成了一次很简单与人之间通过键盘进行的交互。
首先，当输入一个键盘值的时候，键盘将会发送相应的scancodes给键盘驱动。一个独立的击键可以产生一个六个scancodes的队列。键盘驱动中的 handle_ scancode()函数解析scancodes流并通过kdb_translate()函数里的转换表(translation-table)将击键事件和键的释放事件(key release events)转换成连续的keycode。例如，'a'的keycode是30。击键'a'的时候便会产生keycode 30。释放a键的时候会产生keycode 158(128+30)。
然后，这些keycode通过对keymap的查询被转换成相应key符号。获得的字符被送入raw tty队列—tty_flip_buffer。receive_buf()函数周期性的从tty_flip_buffer中获得字符，然后把这些字符送入 tty read队列。
当用户进程需要得到用户的输入的时候，它会在进程的标准输入(stdin)调用read()函数。sys_read()函数调用定义在相应的tty设备(如/dev/tty0)的file_operations结构中指向tty_read的read()函数来读取字符并且返回给用户进程。
4 键盘模拟的实现
通常情况下，对键盘模拟的实现一般是通过写一个自己的键盘中断句柄来实现，但这种方法容易导致系统崩溃。因此,在这种方法的基础上可以利用勾子函数来实现。
如附图所示，这里主要用到的勾子函数包括handle_ scancode()，put_queue()，receive_buf()，tty_read()和sys_read()等函数。
4.1 handle_scancode函数
handle_scancode函数是键盘驱动程序中的一个入口函数(参见文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):
void handle_scancode(unsigned char scancode, int down);
这里通过替换原始的handle_scancode()函数来实现纪录所有的scancode。即将原始的值保存，把新的值注册进去，从而实现所需要的功能，最后再调用回到原始值的情况下。当此新的功能函数完成后，我们就可以记录下键盘上的正确的击键行为了(其中可以包括一些特殊的key，如ctrl， alt，shift，print screen等等)。
4.2 put_queue函数
handle_scancode()函数会调用put_queue函数，用来将字符放入tty_queue。
put_queue函数在内核中定义如下:
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函数
底层tty驱动调用receive_buf()这个函数用来发送硬件设备接收处理的字符。参见/usr/src/linux/drivers/char/n_tty.c:
static void n_tty_receive_buf(struct tty_struct *tty, const
unsigned char *cp, char *fp, int count)
参数cp是一个指向设备接收的输入字符的buffer的指针。参数fp是一个指向一个标记字节指针的指针。在具体的实现中，先保存原始的tty receive_buf()函数，然后重置ldisc.receive_buf到自定义的new_receive_buf()函数来记录用户的输入。
例如:要记录在终端tty1设备上的输入。
int fd = open("/dev/tty1", O_RDONLY, 0);
struct file *file = fget(fd);
struct tty_struct *tty = file->private_data;
//保存原始的receive_buf()函数
old_receive_buf = tty->ldisc.receive_buf;
//替换成新的new_receive_buf函数
tty->ldisc.receive_buf = new_receive_buf;
//新的new_receive_buf函数
void new_receive_buf(struct tty_struct *tty, const unsigned char *cp, char *fp, int count)
{
logging(tty, cp, count);
//纪录用户击键
/* 调用回原来的receive_buf */
(*old_receive_buf)(tty, cp, fp, count);
}
4.4 tty_read函数
当一个进程需要通过sys_read()函数来读取一个tty终端的输入字符时，tty_read函数就会被调用。参见文件/usr/src/linux/drives/char/tty_io.c:
static ssize_t tty_read(struct file * file, char * buf, size_t count,
loff_t *ppos)
5 结束语
目前，利用勾子函数实现基于Linux内核的键盘模拟的这种方法使用非常灵活，同时也可以跨平台进行移植，可通过tty和pts来记录下本地和远程会话的所有击键动作，并且也支持一些特殊的按键。当然，要使键盘模拟更灵活，下一步还需要更多的改进，例如增加多种不同日志记录模式的支持等。
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