2. Linux IIO子系统概述

Linux IIO（Industrial I/O，工业输入/输出）子系统是内核为传感器、数据转换器（ADC/DAC）、编码器等设备提供的统一驱动框架。它解决了传统字符设备驱动在采样速率、触发模式、缓冲管理等方面的碎片化问题，成为嵌入式Linux中模拟量采集的标准抽象层。

2.1 IIO框架设计思想

IIO的设计遵循“设备-通道-触发-缓冲”四层分离原则，核心思想包括：

• 设备抽象：每个物理ADC/DAC芯片注册为一个iio_dev设备，屏蔽硬件寄存器细节。
• 通道化：将多路输入/输出抽象为独立通道，每个通道可独立配置类型、量程、偏移。
• 触发驱动：采样动作由触发源（定时器、GPIO、硬件中断）驱动，与数据读取解耦。
• 缓冲传输：高速连续采样通过内核环形缓冲区传递，避免每次读取都陷入系统调用。
• 用户空间统一接口：通过/sys/bus/iio/devices/iio:deviceX/暴露通道属性，通过字符设备节点/dev/iio:deviceX提供缓冲数据流。

2.2 核心数据结构

IIO框架围绕三个核心数据结构构建：struct iio_dev、struct iio_chan_spec、struct iio_info。理解它们是编写IIO驱动的基础。

2.2.1 struct iio_dev — 设备实例

每个IIO设备对应一个iio_dev实例，由iio_device_alloc()分配，iio_device_register()注册。关键成员如下：

2.2.2 struct iio_chan_spec — 通道描述符

通道描述符定义了ADC的每个输入引脚或DAC的每个输出通道的属性。对于ADC驱动，最常用的配置如下：

struct iio_chan_spec adc_channels[] = {
    {
        .type           = IIO_VOLTAGE,       // 通道类型：电压
        .indexed        = 1,                  // 使用索引号区分通道
        .channel        = 0,                  // 通道编号0
        .info_mask_separate = BIT(IIO_CHAN_INFO_RAW) |    // 暴露原始值
                              BIT(IIO_CHAN_INFO_SCALE) |  // 暴露缩放系数
                              BIT(IIO_CHAN_INFO_OFFSET),  // 暴露偏移量
        .scan_index     = 0,                  // 扫描索引，用于缓冲模式
        .scan_type      = {
            .sign        = 'u',               // 无符号
            .realbits    = 12,                // 有效位数
            .storagebits = 16,                // 存储位数
            .shift       = 0,                 // 右移位数
        },
    },
    {
        .type           = IIO_VOLTAGE,
        .indexed        = 1,
        .channel        = 1,                  // 通道编号1
        .info_mask_separate = BIT(IIO_CHAN_INFO_RAW) |
                              BIT(IIO_CHAN_INFO_SCALE),
        .scan_index     = 1,
        .scan_type      = {
            .sign        = 'u',
            .realbits    = 12,
            .storagebits = 16,
        },
    },
};

2.2.3 struct iio_info — 驱动回调

驱动通过iio_info向框架注册硬件操作函数：

2.3 用户空间接口

IIO子系统向用户空间提供两种访问方式：sysfs属性节点用于单次读取和配置，字符设备节点用于高速缓冲数据流。

2.3.1 sysfs接口

设备注册后，在/sys/bus/iio/devices/iio:deviceX/下生成以下典型属性：

用户空间读取单次采样示例：

# 读取通道0原始值
cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage0_raw
2048

# 读取缩放系数
cat /sys/bus/iio/devices/iio:device0/in_voltage0_scale
0.001000

# 计算实际电压：2048 × 0.001 = 2.048 V

2.3.2 字符设备接口

当需要高速连续采样时，使用/dev/iio:deviceX字符设备。典型操作流程如下：

1. 通过sysfs使能需要采样的通道（scan_elements/in_voltage0_en写1）。
2. 设置触发源（trigger/current_trigger）。
3. 使能缓冲（buffer/enable写1）。
4. 打开/dev/iio:device0，使用read()读取数据帧。
5. 数据帧格式由scan_type定义，每个通道按scan_index顺序排列。

2.4 触发与缓冲机制

IIO的触发系统支持多种触发源：

• 定时器触发：iio-trig-hrtimer提供高精度定时触发，适合固定频率采样。
• GPIO触发：iio-trig-sysfs允许用户通过sysfs手动触发一次采样。
• 硬件触发：ADC芯片的EOC（转换结束）引脚直接触发，延迟最低。

缓冲模式下，数据流路径为：

硬件ADC → 触发信号 → 驱动读取数据 → iio_push_to_buffers() → 内核环形缓冲 → 用户空间 read()

2.5 本章小结