基于Linux內核的鍵盤模擬實現
http://m.dcyhziu.cn 2007/6/5 源自:中華職工學習網 【字體：
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1 引言
當前，由于Linux資源完全公開，使得Linux的發展日益廣泛快速。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，由于內核可裁減定制，因此可隨意地根據用戶需求進行整個系統的定制與重構。其中，我們可以通過對各種標準外部設備的驅動進行改造，從而實現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操作的自動化，從而可以避免重復的鍵盤操作。
2 Linux內核支持的外部調用接口
由于Linux內核作為系統最深層次的核心，因此外部的開發人員并不能直接對內核進行操作。然而在一些應用程序的開發過程中，又不得不使用內核的某些功能，因此就提供了一些外部接口供開發人員直接與底層內核打交道。
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，在此期間可能發生其他中斷(但不是發自同一個設備)。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)，把相關的參數存儲到棧里，然后調用中斷處理程序。這意味著在中斷處理程序本身中有些事情是不允許的，因為這時系統處在一個未知狀態。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送信息，然后把對新信息的處理調度到以后去做。
實現的方法是在接到相關的IRQ(在Intel平臺上有16個IRQ)時調用中斷處理程序。這個函數接到IRQ號碼、函數名、標志、一個/proc/interrupts的名字和傳給中斷處理程序的一個參數。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 系統調用
系統調用發生在用戶進程，通過一些特殊的函數來請求內核提供服務。這時，用戶進程被掛起，內核驗證用戶請求，嘗試執行并把結果反饋給用戶進程，接著用戶進程重新啟動。一般當前系統的系統調用作為一張表sys_call_table進行定義的，是由指向實現各種系統調用的內核函數的函數指針組成的表。具體參數參見Linux內核源代碼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
鉤子(HOOK)是Linux系統中非常重要的系統接口，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的功能。鉤子可以監視系統或進程中的各種事件消息，截獲發往目標的消息并進行處理。這樣就可以在系統中安裝自定義的鉤子，監視系統中特定事件的發生，完成特定的功能，比如截獲鍵盤、鼠標的輸入，屏幕取詞，日志監視等等。可見，利用鉤子可以實現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，鍵盤將會發送相應的scancodes給鍵盤驅動。一個獨立的擊鍵可以產生一個六個scancodes的隊列。鍵盤驅動中的 handle_ scancode()函數解析scancodes流并通過kdb_translate()函數里的轉換表(translation-table)將擊鍵事件和鍵的釋放事件(key release events)轉換成連續的keycode。例如，'a'的keycode是30。擊鍵'a'的時候便會產生keycode 30。釋放a鍵的時候會產生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)調用read()函數。sys_read()函數調用定義在相應的tty設備(如/dev/tty0)的file_operations結構中指向tty_read的read()函數來讀取字符并且返回給用戶進程。
4 鍵盤模擬的實現
通常情況下，對鍵盤模擬的實現一般是通過寫一個自己的鍵盤中斷句柄來實現，但這種方法容易導致系統崩潰。因此,在這種方法的基礎上可以利用勾子函數來實現。
如附圖所示，這里主要用到的勾子函數包括handle_ scancode()，put_queue()，receive_buf()，tty_read()和sys_read()等函數。
4.1 handle_scancode函數
handle_scancode函數是鍵盤驅動程序中的一個入口函數(參見文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):
void handle_scancode(unsigned char scancode, int down);
這里通過替換原始的handle_scancode()函數來實現紀錄所有的scancode。即將原始的值保存，把新的值注冊進去，從而實現所需要的功能，最后再調用回到原始值的情況下。當此新的功能函數完成后，我們就可以記錄下鍵盤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
handle_scancode()函數會調用put_queue函數，用來將字符放入tty_queue。
put_queue函數在內核中定義如下:
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
底層tty驅動調用receive_buf()這個函數用來發送硬件設備接收處理的字符。參見/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cp是一個指向設備接收的輸入字符的buffer的指針。參數fp是一個指向一個標記字節指針的指針。在具體的實現中，先保存原始的tty receive_buf()函數，然后重置ldisc.receive_buf到自定義的new_receive_buf()函數來記錄用戶的輸入。
例如:要記錄在終端tty1設備上的輸入。
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
old_receive_buf = tty->ldisc.receive_buf;
//替換成新的new_receive_buf函數
tty->ldisc.receive_buf = new_receive_buf;
//新的new_receive_buf函數
void new_receive_buf(struct tty_struct *tty, const unsigned char *cp, char *fp, int count)
{
logging(tty, cp, count);
//紀錄用戶擊鍵
/* 調用回原來的receive_buf */
(*old_receive_buf)(tty, cp, fp, count);
}
4.4 tty_read函數
當一個進程需要通過sys_read()函數來讀取一個tty終端的輸入字符時，tty_read函數就會被調用。參見文件/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 結束語
目前，利用勾子函數實現基于Linux內核的鍵盤模擬的這種方法使用非常靈活，同時也可以跨平臺進行移植，可通過tty和pts來記錄下本地和遠程會話的所有擊鍵動作，并且也支持一些特殊的按鍵。當然，要使鍵盤模擬更靈活，下一步還需要更多的改進，例如增加多種不同日志記錄模式的支持等。
當前，由于Linux資源完全公開，使得Linux的發展日益廣泛快速。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，由于內核可裁減定制，因此可隨意地根據用戶需求進行整個系統的定制與重構。其中，我們可以通過對各種標準外部設備的驅動進行改造，從而實現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操作的自動化，從而可以避免重復的鍵盤操作。
2 Linux內核支持的外部調用接口
由于Linux內核作為系統最深層次的核心，因此外部的開發人員并不能直接對內核進行操作。然而在一些應用程序的開發過程中，又不得不使用內核的某些功能，因此就提供了一些外部接口供開發人員直接與底層內核打交道。
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，在此期間可能發生其他中斷(但不是發自同一個設備)。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)，把相關的參數存儲到棧里，然后調用中斷處理程序。這意味著在中斷處理程序本身中有些事情是不允許的，因為這時系統處在一個未知狀態。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送信息，然后把對新信息的處理調度到以后去做。
實現的方法是在接到相關的IRQ(在Intel平臺上有16個IRQ)時調用中斷處理程序。這個函數接到IRQ號碼、函數名、標志、一個/proc/interrupts的名字和傳給中斷處理程序的一個參數。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 系統調用
系統調用發生在用戶進程，通過一些特殊的函數來請求內核提供服務。這時，用戶進程被掛起，內核驗證用戶請求，嘗試執行并把結果反饋給用戶進程，接著用戶進程重新啟動。一般當前系統的系統調用作為一張表sys_call_table進行定義的，是由指向實現各種系統調用的內核函數的函數指針組成的表。具體參數參見Linux內核源代碼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
鉤子(HOOK)是Linux系統中非常重要的系統接口，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的功能。鉤子可以監視系統或進程中的各種事件消息，截獲發往目標的消息并進行處理。這樣就可以在系統中安裝自定義的鉤子，監視系統中特定事件的發生，完成特定的功能，比如截獲鍵盤、鼠標的輸入，屏幕取詞，日志監視等等。可見，利用鉤子可以實現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，鍵盤將會發送相應的scancodes給鍵盤驅動。一個獨立的擊鍵可以產生一個六個scancodes的隊列。鍵盤驅動中的 handle_ scancode()函數解析scancodes流并通過kdb_translate()函數里的轉換表(translation-table)將擊鍵事件和鍵的釋放事件(key release events)轉換成連續的keycode。例如，'a'的keycode是30。擊鍵'a'的時候便會產生keycode 30。釋放a鍵的時候會產生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)調用read()函數。sys_read()函數調用定義在相應的tty設備(如/dev/tty0)的file_operations結構中指向tty_read的read()函數來讀取字符并且返回給用戶進程。
4 鍵盤模擬的實現
通常情況下，對鍵盤模擬的實現一般是通過寫一個自己的鍵盤中斷句柄來實現，但這種方法容易導致系統崩潰。因此,在這種方法的基礎上可以利用勾子函數來實現。
如附圖所示，這里主要用到的勾子函數包括handle_ scancode()，put_queue()，receive_buf()，tty_read()和sys_read()等函數。
4.1 handle_scancode函數
handle_scancode函數是鍵盤驅動程序中的一個入口函數(參見文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):
void handle_scancode(unsigned char scancode, int down);
這里通過替換原始的handle_scancode()函數來實現紀錄所有的scancode。即將原始的值保存，把新的值注冊進去，從而實現所需要的功能，最后再調用回到原始值的情況下。當此新的功能函數完成后，我們就可以記錄下鍵盤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
handle_scancode()函數會調用put_queue函數，用來將字符放入tty_queue。
put_queue函數在內核中定義如下:
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
底層tty驅動調用receive_buf()這個函數用來發送硬件設備接收處理的字符。參見/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cp是一個指向設備接收的輸入字符的buffer的指針。參數fp是一個指向一個標記字節指針的指針。在具體的實現中，先保存原始的tty receive_buf()函數，然后重置ldisc.receive_buf到自定義的new_receive_buf()函數來記錄用戶的輸入。
例如:要記錄在終端tty1設備上的輸入。
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
old_receive_buf = tty->ldisc.receive_buf;
//替換成新的new_receive_buf函數
tty->ldisc.receive_buf = new_receive_buf;
//新的new_receive_buf函數
void new_receive_buf(struct tty_struct *tty, const unsigned char *cp, char *fp, int count)
{
logging(tty, cp, count);
//紀錄用戶擊鍵
/* 調用回原來的receive_buf */
(*old_receive_buf)(tty, cp, fp, count);
}
4.4 tty_read函數
當一個進程需要通過sys_read()函數來讀取一個tty終端的輸入字符時，tty_read函數就會被調用。參見文件/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 結束語
目前，利用勾子函數實現基于Linux內核的鍵盤模擬的這種方法使用非常靈活，同時也可以跨平臺進行移植，可通過tty和pts來記錄下本地和遠程會話的所有擊鍵動作，并且也支持一些特殊的按鍵。當然，要使鍵盤模擬更靈活，下一步還需要更多的改進，例如增加多種不同日志記錄模式的支持等。
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