最佳入門教程！嵌入式必會的Linux驅動開發(fā)之IIO子系統(tǒng)

時間：2020-08-03 10:22:00

關鍵字： IO 驅動開發(fā) 嵌入式

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[導讀]前陣子工作上做了一些關于 ADC 的支持，由于現(xiàn)在 ADC 相關的支持都被移動到了 IIO (Industrial I/O) 子系統(tǒng)下，我查閱了一些關于 IIO 資料，包括書籍、文章、內核文檔和代碼。個人感覺最好的入門文章應該是 ST WiKi 網站上的 IIO Overview(2019) 和　Analog

前陣子工作上做了一些關于 ADC 的支持，由于現(xiàn)在 ADC 相關的支持都被移動到了 IIO (Industrial I/O) 子系統(tǒng)下，我查閱了一些關于 IIO 資料，包括書籍、文章、內核文檔和代碼。個人感覺最好的入門文章應該是 ST WiKi 網站上的 IIO Overview(2019) 和　Analog Device Wiki 網站上的 Linux Industrial I/O Subsystem(2017)，為了方便愛偷懶或者英文不好的小伙伴，我提煉了多篇文章的精華內容并在其基礎上進行完善，盡量控制篇幅，希望能給大家提供一點小小的幫助。

Linux 驅動開發(fā) / IIO子系統(tǒng)入門1

正文目錄：

    
     1. 什么是 IIO 子系統(tǒng)？
     
  1.1 IIO 概述
     
  1.2 IIO 相關的組件
     
2. IIO 功能特性
     
3. IIO 相關配置  
     
  3.1 配置內核
     
  3.2 配置設備樹
     
    3.2.1 IIO providers
     
    3.2.2 IIO consumers
     
4. IIO API
     
  4.1 用戶空間 API
     
    4.1.1 4種接口
     
    4.1.2 操作實例
     
5. 更多值得學習的知識點
     
6. 相關參考

寫作目的：

整理一些 IIO 子系統(tǒng)的入門知識。

1. 什么是 IIO 子系統(tǒng)？

1.1 IIO 概述

Industrial I/O 子系統(tǒng)旨在為某種意義上是模數(shù)或數(shù)模轉換器 (ADC，DAC) 的設備提供支持，于2009年由Ｈuawei 的 Jonathan Cameront 添加。

簡單框圖：

支持的設備包括：

    
     ADC / DAC
     
加速度計
     
磁力計
     
陀螺儀
     
壓力傳感器
     
濕度傳感器
     
溫度傳感器
     
...

很久以前，對于上述硬件的支持散落在 Linux 源碼中的各種地方。

IIO 的出現(xiàn)，提供了一個統(tǒng)一的框架用于訪問和控制上述各種類型的傳感器，并且為用戶態(tài)應用訪問傳感器提供了標準的接口：sysfs/devfs，并且填補了 Hwmon 和 Input 子系統(tǒng)之間的空白。

另外，IIO 不僅可以支持低速的 SoC ADC，還可支持高速、高數(shù)據(jù)速率的工業(yè)設備，例如 100M samples/sec 工業(yè) ADC。

1.2 IIO 相關的組件

IIO-overview

上圖基于 STM32 MPU，來源見文末。

1) 客戶端應用程序(用戶空間):

該組件會使用 libiio 庫來配置 IIO 設備，然后從 IIO 設備讀數(shù)據(jù)或者寫數(shù)據(jù)到 IIO 設備中。客戶端程序可以細分為 local client 和 remote client。

2) libiio 庫(用戶空間):

libiio 是 Analog Device 公司發(fā)起的一個用于訪問 IIO 設備的開源庫。

它封裝了對 /sys/bus/iio/devices(配置 iio) 和　/dev/iio/deviceX(讀寫iio) 的訪問，并且提供了便于測試的 iio 命令行工具 (iio_info / iio_readdev) 和 iiod server。

iiod server 內含 local backend 和 remote backend 以支持 local client 和 remote client 的訪問。

libiio 的源碼位于：github libiio

3) 訪問接口(用戶空間):

iio 支持多種標準的 Linux 設備訪問接口：
char device, sysfs, configfs, debugfs。

4) 內核空間的 iio 消費者(即 IIO consumers):

除了用戶空間的應用程序能訪問 iio 設備之外，在內核里也有其他設備驅動需要使用 iio 子系統(tǒng)的 API 來編寫符合自身框架的設備驅動。

例如在 iio 子系統(tǒng)里支持了某款 Soc ADC 后，可能會有不同的硬件設備接到該 ADC 通道上，典型的例子是觸摸芯片，開發(fā)人員需要在 input 子系統(tǒng)的框架下編寫 touch driver，在 touch driver的 irq handler 中調用 iio in-kern API 來讀取觸摸屏的 X、Y 值。

iio in-kernl API的定義位于頭文件：
include/linux/iio/consumer.h

5) IIO framework(內核空間):
IIO 子系統(tǒng)的核心實現(xiàn)。

6) IIO device driver(或稱 IIO providers):

7) Linux 內核自帶的 IIO 調試工具:

2. IIO 的功能特性

相關參考：

Linux-4.14/drivers/staging/iio/Documentation/overview.txt

1) 基礎的設備注冊和訪問

類似于 hwmon 子系統(tǒng)，它們都可以通過 sysfs 以輪循的方式訪問設備;

2) 可讀取事件的字符設備(Event chrdevs)

類似于 input 子系統(tǒng)，iio 子系統(tǒng)也可以向應用層上報事件(hardware triggered events)，例如閾值檢測事件，自由落體檢測事件、更復雜的動作檢測事件;
目前 event 的格式為：event code + 時間戳;

3) 支持硬件 buffer

4) 支持 Trigger 和軟件 buffer

3. IIO 相關配置

3.1 配置內核

Linux-4.14:

    
     $ make menuconfig
     
Device Drivers  --->
     
  <*> Industrial I/O support  --->
     
    [*]   Enable buffer support within IIO
     
     < >     IIO callback buffer used 
     for push in-kernel interfaces
     
     <*>     Industrial I/O HW buffering
     
     <*>     Industrial I/O buffering based on kfifo
     
     < >   Enable IIO configuration via configfs                        
     
     [*]   
     Enable triggered sampling support
     (2)     Maximum number of consumers per trigger                    
     < >   Enable software triggers support                             
           Accelerometers  --->                                         
           Analog to digital converters  --->                          
           Amplifiers  --->                                             
           Chemical Sensors  --->                                       
           Hid Sensor IIO Common  ----                                  
           SSP Sensor Common  --->                                      
           Digital to analog converters  --->                           
           IIO dummy driver  --->                                       
           Frequency Synthesizers DDS/PLL  --->                         
           Digital gyroscope sensors  --->                              
           Health Sensors  --->                                         
           Humidity sensors  --->                                       
           Inertial measurement units  --->                             
           Light sensors  --->                                          
           Magnetometer sensors  --->                                   
           Inclinometer sensors  ----                                   
           Triggers - standalone  --->                                  
           Digital potentiometers  --->                                 
           Pressure sensors  --->                                       
           Lightning sensors  --->                                      
           Proximity sensors  --->                                      
           Temperature sensors  --->

從配置項的數(shù)目來看，IIO 的用途真的很廣泛。

3.2 配置設備樹

相關參考：

Linux-4.14/Documentation/devicetree/bindings/iio/iio-bindings.txt

3.2.1 IIO providers

1) 相關要點：

IIO channels 源在設備樹中用 IIO providers 來指定;

2) 必要屬性：

io-channel-cells，０表示只有 1 路 IIO output，１表示有多路 IIO output;
io-channel-ranges: 一個 empty 屬性(即不用賦值)，會在 driver/iio/inkern.c/iio_channel_get() 中被引用，它表明繼承了當前節(jié)點的子節(jié)點可以引用當前節(jié)點的 IIO channel;

3) 例子1 (no trigger)

    
     adc: voltage-sensor@
     35 {
     
  compatible = 
     "maxim,max1139";
     
  reg = <
     0x35>;
     
  
     #io-channel-cells = <1>;
     
};

4) 例子2 (with trigger)

    
     adc@
     35 {
     
  compatible = 
     "some-vendor,some-adc";
     
  reg = <
     0x35>;
     

     
  adc1: iio-device@
     0 {
     
    
     #io-channel-cells = <1>;
     
    
     /* other properties */
     
  };
     
  adc2: iio-device@
     1 {
     
    
     #io-channel-cells = <1>;
     
    
     /* other properties */
     
  };
     
};

3.2.2 IIO consumers

1) 相關要點：

IIO consumer 節(jié)點的形式是 <phandle iio_specifier>;
它的作用是連接 IIO provider 的 input 端到 IIO consumer 的 output 端;
其中，phandle 是 IIO provider 的句柄，specifier 用于選擇第幾路 channel;
類似 gpio specifier， IIO specifier 是有１個或者多個 cells 的數(shù)組，用于確定 IIO device的 output 端，即１個 cell 對應一個 IIO channel output;
IIO specifier 數(shù)組的長度由 IIO provider 節(jié)點的 #io-channel-cells 屬性決定;

2) 必要屬性：

io-channels:　<phandle iio_specifier> 列表， 一個　<phandle iio_specifier> 代表該設備連接著的一路 IIO input。如果 IIO provider 的 io-channel-cells=0 (即只有1路 IIO output), 則省略 iio_specifier。

3) 可選屬性：

io-channel-names: IIO input 的名稱列表，順序要和 io-channels 屬性保持一致，Consumers drivers 會將該名稱和 iio_specifier 指定的 IIO input match 到一起。

4) 例子１

    
     some_consumer {
     
  io-channels = <&adc 
     1>, <&ref 
     0>;
     
  io-channel-names = 
     "vcc", 
     "vdd";
     
 };

上述例子的引用了provider &adc　的第1路 channel，和proiver &ref　的第0路 channel。

4. IIO API

4.1 用戶空間 API

相關參考：

IIO user space interface
How to use the IIO user space interface

4.1.1 4種接口

1). sysfs interface

/sys/bus/iio/devices/iio:deviceX;
可用于配置 /dev/iio:deviceX 接口的 events / data
可用于輪循的方式低速地直接讀/寫 IIO 設備;
Documentation/ABI/testing/sysfs-bus-iio;

2). character device

/dev/iio:deviceX，該接口在 IIO 子系統(tǒng)里是可選非必要的;
標準的文件 IO API: open(), read(), write(), close().
用于讀取 events 和 data;

3). configfs

用于配置額外的 IIO　特性，例如：軟件 triggers 或者 hrtimer triggers;
詳細說明：

Documentation/ABI/testing/configfs-iio;
Documentation/iio/iio_configfs.txt;

4). debugfs

一些調試功能，例如 direct_reg_access 節(jié)點可用于讀寫寄存器;

4.1.2 操作實例

IIO direct mode: 通過 sysfs 以輪循的方式讀 ADC 或者寫 DAC：
1) 直接讀 ADC
確定 sysfs 節(jié)點(方式１,不依賴工具)

    
     $ grep -H 
     "" /sys/bus/iio/devices
     /*/name | grep adc
/sys/bus/iio/devices/iio:device0/name:48003000.adc:adc@0
/sys/bus/iio/devices/iio:device1/name:48003000.adc:adc@1

sysfs 中的 iio:device0 sysfs 對應 ADC1;

    
     $ cd /sys/bus/iio/devices/iio:device0/
     
$ cat in_voltage6_raw      # Convert ADC1 channel 
     0 (analog-to-digital): get raw value
     

     40603
     
$ cat in_voltage_scale     # Read scale
     

     0.044250488
     
$ cat in_voltage_offset    # Read offset
     

     0
     
$ awk 
     "BEGIN{printf (\"%d\n\", (40603 + 0) * 0.044250488)}"
     

     1796

計算公式: Scaled value = (raw + offset) * scale = 1796 mV;

2) 直接寫 DAC
確定 sysfs 節(jié)點(方式２)

    
     $ lsiio | grep dac
     
Device 
     003: 
     40017000.dac:dac@
     1
     
Device 
     004: 
     40017000.dac:dac@
     2

sysfs 中的 iio:device3 sysfs 對應 DAC1，lsiio 來源于Linux 內核源碼(tools/iio/)。

    
     $ cd /sys/bus/iio/devices/iio:device3/
     
$ cat out_voltage1_scale              # Read scale
     

     0.708007812
     
$ awk 
     "BEGIN{printf (\"%d\n\", 2000 / 0.708007812)}"  # 假設要輸出 
     2000 mV
     

     2824
     
$ echo 
     2824 > out_voltage1_raw        # Write raw value to DAC1
     
$ echo 
     0 > out_voltage1_powerdown     # 
     Enable DAC1 (out of power-down mode)

5. 更多值得學習的知識點

以 timer triggers 和 buffers 的方式讀 ADC 或者寫 DAC;
IIO 內核空間 API;
編寫 IIO device driver
編寫 IIO consumer driver
...

鑒于大多數(shù)人的注意力無法在一篇文章里上集中太久，更多的內容請大家先自行去閱讀吧，不是自己理解到的東西是消化不了的。有機會的話我會把更多的讀書心得放在后面的文章。

6. 相關參考

IIO Overview
Linux Industrial I/O Subsystem
《Linux Device Drivers Development》

本文只是一篇入門的文章，仍然有許多細節(jié)的知識點沒有被描述到。如果本文能讓你對 IIO 子系統(tǒng)有個大概的認識，那么本文的目的也就算達成了，以后還會繼續(xù)寫更多 IIO 子系統(tǒng)的文章。知識的學習應該是螺旋上升的，找到一條平緩的學習路線很重要，先有一個整體的概念，然后再不斷地去豐富細節(jié)會比較好一點。就好像爬山一樣，相對于幾千米的高山，人類看起來總是顯得多么的渺小，但是只要每天平穩(wěn)地走幾百個階梯，再高的山也能在不知不覺中走完。

本文授權轉載自公眾號“嵌入式Hacker”，作者吳偉東Jack

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