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1、基于基于 Linu 内核的键盘模拟实现研究论文内核的键盘模拟实现研究论文 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
2、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。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)，
3、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_INTERRU
4、PT 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。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/文件中:ENTRY(sys_call_table)llongSYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/*0-old”
5、setup()”systemcall*/llongSYMBOL_NAME(sys_exit)llongSYMBOL_NAME(sys_ni_syscall)/*streams2*/llongSYMBOL_NAME(sys_vfork)/*190*/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
6、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-tab
7、le)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 rea
8、d()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_scancode 函数handle
9、_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/):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)。公务员之家_queue 函数han
10、dle_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(con_schedule_flip(tty);_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_:staticvoidn_tty_receive_buf(structtty_struct*tty,constunsignedchar*cp,char*fp,intcount)参数 cp
11、 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_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-_buf;/替换成
12、新的 new_receive_buf 函数tty-_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);_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_: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。
