基于Linux內(nèi)核的鍵盤(pán)模擬實(shí)現(xiàn)論文

　　在Linux 下，硬件中斷叫做IRQ(Interrupt Requests)。有兩種IRQ，短類(lèi)型和長(zhǎng)類(lèi)型。短IRQ需要很短的時(shí)間，在此期間機(jī)器的其他部分被鎖定，而且沒(méi)有其他中斷被處理。一個(gè)長(zhǎng)IRQ需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此期間可能發(fā)生其他中斷(但不是發(fā)自同一個(gè)設(shè)備)。如果可能的話，最好把一個(gè)中段聲明為長(zhǎng)類(lèi)型。今天學(xué)習(xí)啦小編要與大家分享的是：基于Linux內(nèi)核的鍵盤(pán)模擬實(shí)現(xiàn)相關(guān)論文。具體內(nèi)容如下，歡迎參考閱讀：

　　關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)調(diào)用 勾子函數(shù) 鍵盤(pán)模擬
論文正文：

基于Linux內(nèi)核的鍵盤(pán)模擬實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　當(dāng)前，由于Linux資源完全公開(kāi)，使得Linux的發(fā)展日益廣泛快速?；贚inux的各種應(yīng)用已逐漸深入日常生活的方方面面，尤其是在嵌入式領(lǐng)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(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的定制與重構(gòu)。其中，我們可以通過(guò)對(duì)各種標(biāo)準(zhǔn)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行改造，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的特定需求，例如可以通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)操作的自動(dòng)化，從而可以避免重復(fù)的鍵盤(pán)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(kāi)發(fā)人員并不能直接對(duì)內(nèi)核進(jìn)行操作。然而在一些應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)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(lèi)型和長(zhǎng)類(lèi)型。短IRQ需要很短的時(shí)間，在此期間機(jī)器的其他部分被鎖定，而且沒(méi)有其他中斷被處理。一個(gè)長(zhǎng)IRQ需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此期間可能發(fā)生其他中斷(但不是發(fā)自同一個(gè)設(shè)備)。如果可能的話，最好把一個(gè)中段聲明為長(zhǎng)類(lèi)型。如果CPU接到一個(gè)中斷，它就會(huì)停止一切工作(除非它正在處理一個(gè)更重要的中斷，在這種情況下要等到更重要的中斷處理結(jié)束后才會(huì)處理這個(gè)中斷)，把相關(guān)的參數(shù)存儲(chǔ)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?yàn)檫@時(shí)系統(tǒng)處在一個(gè)未知狀態(tài)。解決這個(gè)問(wèn)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(duì)新信息的處理調(diào)度到以后去做。

　　實(shí)現(xiàn)的方法是在接到相關(guān)的IRQ(在Intel平臺(tái)上有16個(gè)IRQ)時(shí)調(diào)用中斷處理程序。這個(gè)函數(shù)接到IRQ號(hào)碼、函數(shù)名、標(biāo)志、一個(gè)/proc/interrupts的名字和傳給中斷處理程序的一個(gè)參數(shù)。標(biāo)志中可以包括 SA_SHIRQ來(lái)表明你希望和其他處理程序共享此IRQ(通常很多設(shè)備公用一個(gè)IRQ)，或者一個(gè)SA_INTERRUPT表明這是一個(gè)緊急中斷。這個(gè)函數(shù)僅在此IRQ沒(méi)有其他處理程序或需要共享所有處理程序時(shí)才會(huì)成功運(yùn)行。

　　2.2 系統(tǒng)調(diào)用

　　系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生在用戶進(jìn)程，通過(guò)一些特殊的函數(shù)來(lái)請(qǐng)求內(nèi)核提供服務(wù)。這時(shí)，用戶進(jìn)程被掛起，內(nèi)核驗(yàn)證用戶請(qǐng)求，嘗試執(zhí)行并把結(jié)果反饋給用戶進(jìn)程，接著用戶進(jìn)程重新啟動(dòng)。一般當(dāng)前系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用作為一張表sys_call_table進(jìn)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(jiàn)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(yīng)用程序的消息，來(lái)完成普通應(yīng)用程序難以實(shí)現(xiàn)的功能。鉤子可以監(jiān)視系統(tǒng)或進(jìn)程中的各種事件消息，截獲發(fā)往目標(biāo)的消息并進(jìn)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(pán)、鼠標(biāo)的輸入，屏幕取詞，日志監(jiān)視等等?？梢?jiàn)，利用鉤子可以實(shí)現(xiàn)許多特殊而有用的功能。

　　3 鍵盤(pán)工作機(jī)理

　　CPU對(duì)外部設(shè)備的管理是通過(guò)中斷程序進(jìn)行的，鍵盤(pán)也是一種外部設(shè)備，因此，CPU對(duì)鍵盤(pán)的管理也是通過(guò)中斷進(jìn)行的。當(dāng)你擊打鍵盤(pán)的時(shí)候，鍵盤(pán)控制器會(huì)向CPU提出中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)此中斷進(jìn)行處理，這就完成了一次很簡(jiǎn)單與人之間通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行的交互。

　　首先，當(dāng)輸入一個(gè)鍵盤(pán)值的時(shí)候，鍵盤(pán)將會(huì)發(fā)送相應(yīng)的scancodes給鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)。一個(gè)獨(dú)立的擊鍵可以產(chǎn)生一個(gè)六個(gè)scancodes的隊(duì)列。鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)中的 handle_ scancode()函數(shù)解析scancodes流并通過(guò)kdb_translate()函數(shù)里的轉(zhuǎn)換表(translation-table)將擊鍵事件和鍵的釋放事件(key release events)轉(zhuǎn)換成連續(xù)的keycode。例如，'a'的keycode是30。擊鍵'a'的時(shí)候便會(huì)產(chǎn)生keycode 30。釋放a鍵的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生keycode 158(128+30)。

　　然后，這些keycode通過(guò)對(duì)keymap的查詢被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)key符號(hào)。獲得的字符被送入raw tty隊(duì)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(duì)列。

　　當(dāng)用戶進(jìn)程需要得到用戶的輸入的時(shí)候，它會(huì)在進(jìn)程的標(biāo)準(zhǔn)輸入(stdin)調(diào)用read()函數(shù)。sys_read()函數(shù)調(diào)用定義在相應(yīng)的tty設(shè)備(如/dev/tty0)的file_operations結(jié)構(gòu)中指向tty_read的read()函數(shù)來(lái)讀取字符并且返回給用戶進(jìn)程。

　　4 鍵盤(pán)模擬的實(shí)現(xiàn)

　　通常情況下，對(duì)鍵盤(pán)模擬的實(shí)現(xiàn)一般是通過(guò)寫(xiě)一個(gè)自己的鍵盤(pán)中斷句柄來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法容易導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此,在這種方法的基礎(chǔ)上可以利用勾子函數(shù)來(lái)實(shí)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)。

　　4.1 handle_scancode函數(shù)

　　handle_scancode函數(shù)是鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序中的一個(gè)入口函數(shù)(參見(jiàn)文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):

　　void handle_scancode(unsigned char scancode, int down);

　　這里通過(guò)替換原始的handle_scancode()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)紀(jì)錄所有的scancode。即將原始的值保存，把新的值注冊(cè)進(jìn)去，從而實(shí)現(xiàn)所需要的功能，最后再調(diào)用回到原始值的情況下。當(dāng)此新的功能函數(shù)完成后，我們就可以記錄下鍵盤(pán)上的正確的擊鍵行為了(其中可以包括一些特殊的key，如ctrl， alt，shift，print screen等等)。

　　4.2 put_queue函數(shù)

　　handle_scancode()函數(shù)會(huì)調(diào)用put_queue函數(shù)，用來(lái)將字符放入tty_queue。

　　put_queue函數(shù)在內(nèi)核中定義如下:

　　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函數(shù)

　　底層tty驅(qū)動(dòng)調(diào)用receive_buf()這個(gè)函數(shù)用來(lái)發(fā)送硬件設(shè)備接收處理的字符。參見(jiàn)/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)

　　參數(shù)cp是一個(gè)指向設(shè)備接收的輸入字符的buffer的指針。參數(shù)fp是一個(gè)指向一個(gè)標(biāo)記字節(jié)指針的指針。在具體的實(shí)現(xiàn)中，先保存原始的tty receive_buf()函數(shù)，然后重置ldisc.receive_buf到自定義的new_receive_buf()函數(shù)來(lái)記錄用戶的輸入。

　　例如:要記錄在終端tty1設(shè)備上的輸入。

　　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()函數(shù)

　　old_receive_buf = tty->ldisc.receive_buf;

　　//替換成新的new_receive_buf函數(shù)

　　tty->ldisc.receive_buf = new_receive_buf;

　　//新的new_receive_buf函數(shù)

　　void new_receive_buf(struct tty_struct *tty, const unsigned char *cp, char *fp, int count)

　　{logging(tty, cp, count);

　　//紀(jì)錄用戶擊鍵

　　/* 調(diào)用回原來(lái)的receive_buf */

　　(*old_receive_buf)(tty, cp, fp, count);}

　　4.4 tty_read函數(shù)

　　當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要通過(guò)sys_read()函數(shù)來(lái)讀取一個(gè)tty終端的輸入字符時(shí)，tty_read函數(shù)就會(huì)被調(diào)用。參見(jiàn)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 結(jié)束語(yǔ)

　　目前，利用勾子函數(shù)實(shí)現(xiàn)基于Linux內(nèi)核的鍵盤(pán)模擬的這種方法使用非常靈活，同時(shí)也可以跨平臺(tái)進(jìn)行移植，可通過(guò)tty和pts來(lái)記錄下本地和遠(yuǎn)程會(huì)話的所有擊鍵動(dòng)作，并且也支持一些特殊的按鍵。當(dāng)然，要使鍵盤(pán)模擬更靈活，下一步還需要更多的改進(jìn)，例如增加多種不同日志記錄模式的支持等。