基于Linu內核的鍵盤模擬實現(xiàn)

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關鍵詞：系統(tǒng)調用勾子函數(shù)鍵盤模擬

1引言

當前，由于Linux資源完全公開，使得Linux的發(fā)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(jù)用戶需求進行整個系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)操作的自動化，從而可以避免重復的鍵盤操作。

2Linux內核支持的外部調用接口

由于Linux內核作為系統(tǒng)最深層次的核心，因此外部的開發(fā)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(fā)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(fā)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(InterruptRequests)。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(fā)生其他中斷(但不是發(fā)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(shù)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(tǒng)處在一個未知狀態(tài)。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(fā)送信息，然后把對新信息的處理調度到以后去做。

實現(xiàn)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(shù)接到IRQ號碼、函數(shù)名、標志、一個/proc/interrupts的名字和傳給中斷處理程序的一個參數(shù)。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(shù)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(tǒng)調用

系統(tǒng)調用發(fā)生在用戶進程，通過一些特殊的函數(shù)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(zhí)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(tǒng)的系統(tǒng)調用作為一張表sys_call_table進行定義的，是由指向實現(xiàn)各種系統(tǒng)調用的內核函數(shù)的函數(shù)指針組成的表。具體參數(shù)參見Linux內核源代碼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用程序的消息，來完成普通應用程序難以實現(xiàn)的功能。鉤子可以監(jiān)視系統(tǒng)或進程中的各種事件消息，截獲發(fā)往目標的消息并進行處理。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、鼠標的輸入，屏幕取詞，日志監(jiān)視等等。可見，利用鉤子可以實現(xiàn)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(fā)送相應的scancodes給鍵盤驅動。一個獨立的擊鍵可以產(chǎn)生一個六個scancodes的隊列。鍵盤驅動中的handle_scancode()函數(shù)解析scancodes流并通過kdb_translate()函數(shù)里的轉換表(translation-table)將擊鍵事件和鍵的釋放事件(keyreleaseevents)轉換成連續(xù)的keycode。例如，''''a''''的keycode是30。擊鍵''''a''''的時候便會產(chǎn)生keycode30。釋放a鍵的時候會產(chǎn)生keycode158(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rawtty隊列—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ttyread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(shù)。sys_read()函數(shù)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(shù)來讀取字符并且返回給用戶進程。

4鍵盤模擬的實現(xiàn)

通常情況下，對鍵盤模擬的實現(xiàn)一般是通過寫一個自己的鍵盤中斷句柄來實現(xiàn)，但這種方法容易導致系統(tǒng)崩潰。因此,在這種方法的基礎上可以利用勾子函數(shù)來實現(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)。

附圖鍵盤驅動原理圖

4.1handle_scancode函數(shù)

handle_scancode函數(shù)是鍵盤驅動程序中的一個入口函數(shù)(參見文件/usr/src/linux/drives/char/keyboard.c):

voidhandle_scancode(unsignedcharscancode,intdown);

這里通過替換原始的handle_scancode()函數(shù)來實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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，printscreen等等)。

4.2put_queue函數(shù)

handle_scancode()函數(shù)會調用put_queue函數(shù)，用來將字符放入tty_queue。

put_queue函數(shù)在內核中定義如下:

voidput_queue(intch)

{

wake_up(&keypress_wait);

if(tty){

tty_insert_flip_char(tty,ch,0);

con_schedule_flip(tty);}}

4.3receive_buf函數(shù)

底層tty驅動調用receive_buf()這個函數(shù)用來發(fā)送硬件設備接收處理的字符。參見/usr/src/linux/drivers/char/n_tty.c:

staticvoidn_tty_receive_buf(structtty_struct*tty,const

unsignedchar*cp,char*fp,intcount)

參數(shù)cp是一個指向設備接收的輸入字符的buffer的指針。參數(shù)fp是一個指向一個標記字節(jié)指針的指針。在具體的實現(xiàn)中，先保存原始的ttyreceive_buf()函數(shù)，然后重置ldisc.receive_buf到自定義的new_receive_buf()函數(shù)來記錄用戶的輸入。

例如:要記錄在終端tty1設備上的輸入。

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)

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

{

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);

}

4.4tty_read函數(shù)

當一個進程需要通過sys_read()函數(shù)來讀取一個tty終端的輸入字符時，tty_read函數(shù)就會被調用。參見文件/usr/src/linux/drives/char/tty_io.c:

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

loff_t*ppos)

5結束語

目前，利用勾子函數(shù)實現(xiàn)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。