Linux IIO子系统分析1

Linux IIO子系统分析1（基于Linux6.6）---系统概述

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一、IIO 子系统概述

IIO (Industrial I/O) 子系统是 Linux 内核中专门为工业传感器和数据采集设备（如传感器、ADC/DAC、加速度计、磁力计、温度传感器等）设计的一个子系统。它为这些硬件设备提供了一套标准化的接口和驱动框架，使得不同的硬件设备可以通过统一的方式进行数据采集和处理。

IIO 子系统的目标是为工业环境中广泛使用的传感器提供一个通用的接口，以便于开发、调试和扩展。IIO 支持的设备包括各种传感器、转换器（ADC/DAC）、信号调理电路等。

1. IIO 子系统的主要组成部分

IIO 子系统由多个组件组成，包括设备、驱动程序、接口、以及与用户空间通信的机制。其主要组成部分如下：

• IIO 设备（IIO Device）：一个 IIO 设备代表一个硬件设备，例如一个传感器或数据转换器。每个设备通过驱动程序与内核中的 IIO 子系统进行交互。

• IIO 驱动（IIO Driver）：IIO 驱动程序负责与硬件设备交互，执行数据采集、配置和控制等操作。IIO 驱动与设备树或平台设备配合工作，注册到 IIO 子系统中，提供对 IIO 设备的访问。

• IIO 事件（IIO Events）：某些 IIO 设备支持事件驱动机制，当传感器达到某些阈值或发生某些状态变化时，系统会触发相应的事件。

• IIO 访问接口：IIO 子系统提供了一些接口，允许用户空间应用程序读取传感器数据。这些接口通常是通过文件系统暴露的，比如通过 /sys 和 /dev 接口。

• IIO 核心框架：IIO 核心框架负责管理设备、驱动程序、以及事件的调度。它协调用户空间和内核空间的数据流。

2. IIO 设备类型

IIO 子系统支持多种类型的设备，常见的设备包括：

• 模拟输入设备：这些设备通常与 ADC（模拟到数字转换器）相关，例如温度传感器、光传感器、压力传感器等。IIO 框架通过读取这些设备的模拟值，将其转化为数字值。

• 数字输入设备：例如数字加速度计、陀螺仪、磁力计等。

• 输出设备：如 DAC（数字到模拟转换器）设备，它们将数字值转换为模拟信号输出。

• 事件生成设备：某些 IIO 设备支持事件驱动，例如加速度计可以触发“超速”事件，磁力计可以触发“阈值超限”事件等。

3. IIO 的主要特性

• 数据采集：IIO 设备通过 ADC 或其他传感器设备采集数据。用户空间程序可以从这些设备中读取数据，进行处理或分析。

• 事件驱动：某些 IIO 设备支持通过事件机制通知系统，如当传感器的值超过某一阈值时，设备会触发事件，用户空间可以通过监听事件来获取信息。

• 缓冲：IIO 提供了对数据缓冲的支持，特别是在采集大量数据时，可以使用缓冲区来暂存数据，从而提高性能和效率。

• 实时性支持：IIO 子系统对一些需要实时响应的设备提供支持，这对于工业应用非常重要，例如在自动化控制、传感器数据监控等场景下的应用。

• 扩展性：IIO 支持多种设备，并允许开发者根据硬件需求扩展设备类型。它提供了丰富的 API 接口，支持灵活的设备管理和控制。

4. IIO 子系统中的常见接口

• /sys/bus/iio/devices：在 /sys/bus/iio/devices 目录下，每个 IIO 设备都有一个对应的子目录，包含该设备的属性文件，例如传感器的状态、配置参数、采样率等。

• /dev/iio:deviceX：IIO 设备也可以通过字符设备 /dev/iio:deviceX 进行访问，X 是设备的编号，用户可以通过这个接口来读取设备的原始数据。

• ioctl 和 mmap：对于需要高性能数据访问的情况，IIO 子系统还提供了 ioctl 和 mmap 等系统调用，用于数据的快速交换。

5. IIO 设备树支持

IIO 设备通常通过设备树配置，在 Linux 内核启动时，设备树描述硬件设备的信息，IIO 驱动程序通过设备树来获取设备的配置。设备树中的 IIO 设备配置可以包括设备的输入输出端口、采样频率、电源管理等信息。

设备树示例：

dts

&iio {
    compatible = "myvendor,my-sensor";
    reg = <0x48>;
    interrupt-parent = <&gpio>;
    interrupts = <5 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
    vdd-supply = <&regulator_3v3>;
};

6. IIO 驱动开发

开发一个 IIO 驱动通常涉及以下步骤：

1. 定义 IIO 设备描述符：描述设备的类型、操作（如读、写、配置、启用等）以及属性。

2. 实现 IIO 操作：这些操作包括初始化、读取数据、控制设备等。

3. 注册 IIO 设备：通过 iio_device_register 将 IIO 设备注册到 IIO 子系统。

4. 处理设备事件：如果设备支持事件机制，需要定义事件处理函数，并通过 IIO 框架处理事件。

5. 实现设备树支持：如果设备是通过设备树进行描述的，还需要实现对设备树节点的解析和适配。

7. IIO 应用场景

IIO 子系统广泛应用于许多行业，尤其是与传感器和数据采集相关的领域。常见的应用场景包括：

• 工业自动化：如温度、湿度、压力传感器的使用。
• 汽车行业：加速度计、陀螺仪和传感器的使用。
• 消费电子：如智能手机、可穿戴设备中的传感器数据采集。
• 环境监测：温湿度、空气质量传感器等的使用。
• 医疗设备：生物医学传感器的使用。

二、IIO子系统架构

如下即为IIO子系统框架，针对IIO子系统而言，其主要提供两种方式与应用层交互：

1. 通过字符设备文件，应用程序可读取IIO device 各通道的信息；
2. 通过sysfs下的属性文件，应用程序也可以读取IIO device各通道的信息；

而在IIO子系统内部，则主要包括如下四部分的内容：

1. iio buffer用于处理需要进行连续采集的数据，当一个IIO device的各通道数据支持连续采集时，则调用iio buffer模块提供的接口，创建iio buffer用于存储连续存储的数据，同时该模块提供字符设备文件的注册，因此应用程序通过字符设备文件即可读取该IIO device各通道连续采集的数据；
2. 当IIO DEVICE支持连续采集时，一般需要绑定一种触发方法，作为数据到达的信号，而IIO子系统提个iio trigger实现该功能，当iio trigger信号到后，则将数据push到iio buffer中（目前IIO子系统提供了iio trigger的注册、注销与查找接口，且系统中已提供了iio-trig-sysfs、iio-trig-gpio、iio-trig-irq等通用的触发方法。这种方式是不是很眼熟，在led子系统中，也包含为led-trigger，一个led-class可以和一个led-trigger绑定，从而实现对led亮度的控制策略）；
3. 针对温度传感器等器件，也会进行事件触发（如温度传感器设置温度上限阈值，当温度高于该阈值后，则触发中断信号），因此IIO子系统提供了iio event模块，iio event模块提供了字符设备操作接口用于对event的监控（该字符设备操作接口并没有创建字符设备文件，而是在iio buffer的ioctl中开启event monitor，然后调用anon_inode_getfd创建了一个匿名inode节点，并设置inode的ops接口等）。
4. 以上3个都是iio 子系统各子功能，而iio core则主要实现iio device的创建，并根据传递的参数决定是否需要创建iio buffer等，提供了iio device的内存申、请注册与注销接口。

 

IIO 子系统的架构可以分为以下几个核心部分：

1. IIO 核心框架 (Core Framework)

IIO 核心框架是整个 IIO 子系统的核心，负责协调各个组件的工作。其主要功能包括：

• 设备管理：IIO 核心负责注册、注销、查找和管理 IIO 设备。
• 事件调度：支持事件驱动的 I/O 操作，例如某个传感器触发阈值事件，IIO 核心会调度事件处理。
• 缓冲区管理：支持 IIO 设备的数据缓冲机制，特别适用于需要连续读取大量数据的设备。
• 接口提供：为用户空间应用程序提供访问设备的标准接口，主要通过 /sys、/dev 等文件系统接口。

2. IIO 设备 (IIO Device)

每个硬件传感器或数据转换器被表示为一个 IIO 设备。IIO 设备是 IIO 子系统中的基本实体，通常代表一个物理传感器或一个数据采集/转换设备。每个 IIO 设备都与一个特定的设备驱动程序相关联。

• 设备类型：IIO 设备可以是模拟输入（如温度、压力传感器），也可以是数字输入（如加速度计、陀螺仪），还可以是输出设备（如 DAC）或事件生成设备。
• 设备属性：IIO 设备具有多个属性，通常通过文件系统接口暴露给用户空间，包括采样频率、精度、状态等。

3. IIO 驱动 (IIO Driver)

IIO 驱动程序负责与硬件设备进行交互，实现数据采集、配置和控制等功能。驱动程序通过提供一组标准化的操作接口，使得 IIO 核心框架能够透明地与设备进行通信。每个 IIO 设备都需要有一个与之配套的驱动。

• IIO 驱动结构：每个驱动程序都需要定义一组标准的回调函数，例如：

  • read：用于从设备中读取数据。
  • write：用于向设备写入配置或控制命令。
  • event_handler：处理设备事件（如果支持事件驱动功能）。

• 驱动注册：IIO 驱动程序会在设备启动时通过 iio_device_register() 注册到 IIO 核心，并与硬件设备进行关联。

4. 设备树 (Device Tree)

设备树是描述硬件设备配置的一种机制，IIO 设备通常通过设备树节点进行描述。在 Linux 系统启动时，设备树提供了设备的硬件信息，IIO 驱动程序会读取这些信息来初始化设备。

&iio {
    compatible = "myvendor,my-sensor";
    reg = <0x48>;
    interrupt-parent = <&gpio>;
    interrupts = <5 IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
    vdd-supply = <&regulator_3v3>;
};

5. IIO 数据缓冲 (IIO Buffering)

IIO 支持将传感器数据存入缓冲区，尤其是当设备需要周期性采样时，数据缓冲可以极大提高性能。IIO 数据缓冲的主要功能包括：

• 环形缓冲区：设备采集到的数据会存入一个环形缓冲区中，允许系统持续高效地获取数据而不会丢失。
• DMA 支持：对于高带宽的传感器数据，IIO 支持 DMA（直接内存访问）机制来将数据从硬件设备直接传输到内存中，减少 CPU 占用。
• 缓冲区接口：用户空间应用可以通过 read()、ioctl() 等系统调用来访问和管理缓冲区中的数据。

6. IIO 事件管理 (Event Handling)

一些 IIO 设备支持事件驱动机制。例如，当传感器的某个值超过设定阈值时，会触发一个事件。IIO 子系统提供了事件管理的功能，包括：

• 事件类型：IIO 支持多种事件类型，例如阈值超限事件、状态变化事件等。
• 事件接口：IIO 设备的事件通过 /dev/iio:deviceX 或 /sys 目录暴露给用户空间。用户空间程序可以通过文件系统接口读取事件数据，或者通过 ioctl() 函数来设置事件的触发条件。
• 事件处理：IIO 驱动程序需要提供事件处理的回调函数，确保设备事件能被正确捕获和响应。

7. 用户空间接口 (User-Space Interface)

IIO 子系统为用户空间应用程序提供了多种接口，主要通过文件系统进行访问，常见的接口包括：

• /sys/bus/iio/devices：这是 IIO 设备的主要管理目录。每个 IIO 设备都会在此目录下创建一个子目录，暴露设备的属性，如采样率、配置等。

• /dev/iio:deviceX：IIO 设备还通过字符设备 /dev/iio:deviceX 提供数据读取接口。用户空间应用程序可以通过标准的文件 I/O 接口（如 read()、write()、ioctl()）来访问设备数据。

• /dev/iio:bufferX：对于启用了数据缓冲的 IIO 设备，系统会为每个缓冲区创建一个对应的设备节点。用户空间应用可以通过 mmap() 或 read() 来直接访问缓冲区中的数据。

8. IIO 驱动和设备之间的关系

IIO 子系统的关键设计原则之一是将硬件设备与驱动解耦，允许 IIO 驱动程序通过标准的接口操作设备。IIO 设备通过设备树或者平台设备信息与驱动程序进行关联。

9. IIO 在内核中的工作流程

IIO 子系统的基本工作流程大致如下：

1. 设备注册：设备通过设备树或 platform_driver 在内核中注册。
2. 驱动加载：IIO 驱动加载后与设备进行绑定，提供必要的回调函数。
3. 数据采集：设备开始采集数据，并根据配置将数据存储在缓冲区中。
4. 事件触发：如果设备支持事件机制，则设备根据配置触发相应的事件。
5. 用户空间访问：用户空间应用程序通过文件系统接口访问设备数据或事件信息。
6. 数据处理：用户空间程序读取数据并进行处理，或者直接从缓冲区获取数据。

三、IIO DEVICE相关通道数据访问方式

IIO子系统针对IIO DEVICE中各通道的访问方式主要提供两种，即sysfs方式访问、字符设备方式访问.

1. sysfs方式数据访问
   1. 针对IIO DEVICE的通道数据，仅需要通过ONE-SHOT方式访问时，则只需要通过sysfs方式访问即可，即在sysfs目录下通过IIO DEVICE提供的属性文件进行访问（如cat  in_voltage0_raw）
2. 字符设备方式数据访问
   1. 针对IIO DEVICE的通道数据，需要支持连续采集功能时，则借助iio-trigger、iio-buffer实现数据的触发与存储功能，同时应用程序可通过对应的iio buffer提供的字符设备文件，访问存储的连续采集的数据。