Linux 内核IIO sensor驱动

这篇文章我们简单介绍一下关于sensor的知识，这里指的sensor主要是陀螺仪、加速度计等等。

1. IIO框架概述

IIO（Industrial I/O）是Linux内核中专门为模拟数字转换器（ADC）、数字模拟转换器（DAC）、惯性测量单元（IMU）以及各种传感器设计的子系统框架。它提供了一套标准化的接口，使得传感器数据能够被用户空间应用程序方便地访问和处理。

1.1 IIO框架的优势

• 统一的用户空间接口：通过sysfs和字符设备提供标准访问方式

• 硬件抽象层：隔离硬件差异，提供一致的编程接口

• 事件支持：支持阈值触发、数据就绪等事件机制

• 缓冲区管理：提供高效的数据缓冲和读取机制

2. IIO核心架构

2.1 IIO子系统组成

主要包括iio驱动设备、事件、buffer机制、中断触发机制等方面组成，头文件包括如下：

// 主要头文件
#include <linux/iio/iio.h>
#include <linux/iio/sysfs.h>
#include <linux/iio/events.h>
#include <linux/iio/buffer.h>
#include <linux/iio/trigger.h>

2.2 核心数据结构

主要数据结构成员如下所示:

struct iio_dev {int modes;                      // 设备模式int currentmode;               // 当前模式struct device dev;             // 设备结构struct iio_buffer *buffer;     // 数据缓冲区int scan_bytes;                // 扫描字节数const struct iio_info *info;   // 设备操作集struct iio_chan_spec const *channels; // 通道描述int num_channels;              // 通道数量const char *name;              // 设备名称// ... 其他成员
};

3. IIO驱动开发步骤

下面简要介绍一下驱动开发移植的步骤：

3.1 设备初始化和注册

具体实现参考如下，需要注册的时候分配iio设备，设置iio设备的相关信息。

static int my_sensor_probe(struct i2c_client *client,const struct i2c_device_id *id)
{struct iio_dev *indio_dev;struct my_sensor_data *data;// 分配IIO设备indio_dev = devm_iio_device_alloc(&client->dev, sizeof(*data));if (!indio_dev)return -ENOMEM;data = iio_priv(indio_dev);data->client = client;// 设置IIO设备信息indio_dev->dev.parent = &client->dev;indio_dev->name = "my_sensor";indio_dev->channels = my_sensor_channels;indio_dev->num_channels = ARRAY_SIZE(my_sensor_channels);indio_dev->info = &my_sensor_info;indio_dev->modes = INDIO_DIRECT_MODE;// 注册IIO设备return devm_iio_device_register(&client->dev, indio_dev);
}

3.2 定义传感器通道

根据不同的传感器，定义传感器通道，应用层通过不同的通道获取数据。

// 通道定义示例 - 三轴加速度计
static const struct iio_chan_spec my_sensor_channels[] = {{.type = IIO_ACCEL,                    // 加速度类型.modified = 1,                        // 使用修改通道.channel2 = IIO_MOD_X,                // X轴.info_mask_separate = BIT(IIO_CHAN_INFO_RAW) |BIT(IIO_CHAN_INFO_SCALE), // 独立属性.info_mask_shared_by_type = BIT(IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ), // 共享属性.scan_index = 0,                      // 缓冲区扫描索引.scan_type = {                        // 扫描类型.sign = 's',                      // 有符号数.realbits = 16,                   // 实际位数.storagebits = 16,                // 存储位数.endianness = IIO_LE,             // 小端序},},{.type = IIO_ACCEL,.modified = 1,.channel2 = IIO_MOD_Y,.info_mask_separate = BIT(IIO_CHAN_INFO_RAW) |BIT(IIO_CHAN_INFO_SCALE),.info_mask_shared_by_type = BIT(IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ),.scan_index = 1,.scan_type = {.sign = 's',.realbits = 16,.storagebits = 16,.endianness = IIO_LE,},},// Z轴通道类似定义IIO_CHAN_SOFT_TIMESTAMP(3),              // 时间戳通道
};

3.3 实现设备操作集

这是应用访问驱动的关键接口：

static const struct iio_info my_sensor_info = {.read_raw = my_sensor_read_raw,           // 读取原始数据.write_raw = my_sensor_write_raw,         // 写入配置.read_event_value = my_sensor_read_event, // 读取事件值.write_event_value = my_sensor_write_event, // 写入事件值.debugfs_reg_access = &my_sensor_reg_access, // 调试寄存器访问
};

3.4 实现数据读取回调

static int my_sensor_read_raw(struct iio_dev *indio_dev,struct iio_chan_spec const *chan,int *val, int *val2, long mask)
{struct my_sensor_data *data = iio_priv(indio_dev);int ret;switch (mask) {case IIO_CHAN_INFO_RAW:mutex_lock(&data->lock);ret = my_sensor_read_data(data, chan->channel2, val);mutex_unlock(&data->lock);if (ret < 0)return ret;return IIO_VAL_INT;case IIO_CHAN_INFO_SCALE:*val = 0;*val2 = my_sensor_scales[data->range]; // 根据量程返回缩放值return IIO_VAL_INT_PLUS_MICRO;case IIO_CHAN_INFO_SAMP_FREQ:*val = data->sampling_frequency;return IIO_VAL_INT;}return -EINVAL;
}

4. IIO缓冲区机制

iio设备有buffer机制，是应用层与设备驱动数据交互的关键。有buf的机制，应用就不需要一直调用读取数据的接口读数据，可以通过buf来获取数据，提高工作的效率。

4.1 缓冲区设置

// 启用缓冲区支持
static int my_sensor_enable_buffer(struct iio_dev *indio_dev)
{struct my_sensor_data *data = iio_priv(indio_dev);int ret;// 分配缓冲区ret = iio_triggered_buffer_setup(indio_dev, &iio_pollfunc_store_time,&my_sensor_trigger_handler,&my_sensor_buffer_setup_ops);if (ret)return ret;// 配置硬件触发（如果需要）data->trig = devm_iio_trigger_alloc(&data->client->dev, "%s-dev%d",indio_dev->name, indio_dev->id);if (!data->trig)return -ENOMEM;data->trig->ops = &my_sensor_trigger_ops;ret = devm_iio_trigger_register(&data->client->dev, data->trig);return ret;
}

4.2 触发处理函数

static irqreturn_t my_sensor_trigger_handler(int irq, void *p)
{struct iio_poll_func *pf = p;struct iio_dev *indio_dev = pf->indio_dev;struct my_sensor_data *data = iio_priv(indio_dev);struct {s16 channels[3];           // 三轴数据s64 timestamp __aligned(8); // 时间戳} scan;int ret;// 读取传感器数据ret = my_sensor_read_all_data(data, scan.channels);if (ret < 0)goto err;// 获取时间戳scan.timestamp = iio_get_time_ns(indio_dev);// 推送到缓冲区iio_push_to_buffers_with_timestamp(indio_dev, &scan, scan.timestamp);err:iio_trigger_notify_done(indio_dev->trig);return IRQ_HANDLED;
}

5. 用户空间接口

5.1 Sysfs接口

# 查看可用设备
ls /sys/bus/iio/devices/# 读取原始数据
cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_accel_x_raw# 读取缩放因子
cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_accel_scale# 设置采样频率
echo 100 > /sys/bus/iio/devices/iio:device0/sampling_frequency

5.2 字符设备接口

对于缓冲区数据，可以通过字符设备读取：

// 用户空间读取示例
#include <linux/iio/buffer.h>
#include <linux/iio/events.h>
#include <linux/iio/types.h>int fd = open("/dev/iio:device0", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
// 配置触发器、使能通道、读取数据...

6. 调试和测试

6.1 调试工具

# 使用iio_info工具查看设备信息
iio_info# 使用iio_readdev读取数据
iio_readdev -s 100 iio:device0# 使用通用工具
cat /sys/kernel/debug/iio/iio:device0/registers

7. 总结

IIO框架为传感器驱动开发提供了完整的解决方案，主要特点包括：

• 模块化设计：清晰的层次结构，便于扩展和维护

• 统一接口：标准化的用户空间访问方式

• 高效数据流：支持中断驱动和缓冲区机制

• 灵活配置：丰富的属性和事件支持

• 良好的生态：丰富的工具链和调试支持

通过理解IIO框架的核心概念和编程模型，开发者可以高效地开发各种传感器驱动，为用户空间提供稳定可靠的传感器数据访问接口。