基于Linu内核的键盘模拟实现

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关键词：系统调用勾子函数键盘模拟

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。

2Linux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(InterruptRequests)。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)

llongSYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)

/*0-old"setup()"systemcall*/

llongSYMBOL_NAME(sys_exit)

…

llongSYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)

/*streams2*/

llongSYMBOL_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(keyreleaseevents)转换成连续的keycode。例如，''''a''''的keycode是30。击键''''a''''的时候便会产生keycode30。释放a键的时候会产生keycode158(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rawtty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ttyread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。

附图键盘驱动原理图

4.1handle_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):

voidhandle_scancode(unsignedcharscancode,intdown);

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，printscreen等等)。

4.2put_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:

voidput_queue(intch)

{

wake_up(&keypress_wait);

if(tty){

tty_insert_flip_char(tty,ch,0);

con_schedule_flip(tty);}}

4.3receive_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:

staticvoidn_tty_receive_buf(structtty_struct*tty,const

unsignedchar*cp,char*fp,intcount)

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ttyreceive_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。

intfd=open("/dev/tty1",O_RDONLY,0);

structfile*file=fget(fd);

structtty_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

voidnew_receive_buf(structtty_struct*tty,constunsignedchar*cp,char*fp,intcount)

{

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);

}

4.4tty_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:

staticssize_ttty_read(structfile*file,char*buf,size_tcount,

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。