工業I/O子系統中斷事件處理與裝置樹組態

在嵌入式系統中，即時回應外部訊號至關重要，工業I/O子系統的中斷和事件處理機制正是為此而生。本文以MAX11300驅動程式開發為例，探討如何在Linux核心實作中斷處理、事件傳遞以及裝置樹的相關組態。驅動程式中使用iio_push_event函式將硬體事件推播到使用者空間，並透過事件程式碼和時間戳提供詳細的事件資訊。裝置樹的組態則確保驅動程式能正確識別和初始化MAX11300裝置，其中包括SPI控制器節點的設定、片選腳位的指定，以及各個埠模式、ADC/DAC範圍等引數的定義。這些組態資訊會被驅動程式解析，用於初始化和組態MAX11300的硬體資源。

工業I/O子系統中斷與事件處理

在工業I/O（IIO）子系統中，中斷和事件處理扮演著至關重要的角色，尤其是在需要即時回應外部訊號的應用中。本章節將探討如何在IIO驅動程式中實作中斷和事件處理，以及相關的使用者空間工具。

IIO驅動程式中的事件處理

在IIO驅動程式中，事件處理涉及設定和回應特定硬體事件，例如模擬數位轉換器（ADC）的閾值觸發或數位輸入的變化。這些事件可以透過sysfs屬性進行組態，使用者空間應用程式可以透過讀寫這些屬性來控制事件的行為。

設定事件處理函式

要實作事件處理，首先需要在驅動程式中定義相關的回撥函式。例如，在ADXL345加速度計驅動程式中，定義了adxl345_read_event和adxl345_write_event函式來處理事件相關的讀寫操作。

static const struct iio_info adxl345_info = {
    .driver_module = THIS_MODULE,
    .read_raw = adxl345_read_raw,
    .write_raw = adxl345_write_raw,
    .read_event_value = adxl345_read_event,
    .write_event_value = adxl345_write_event,
};

事件通知的啟用

事件通知可以透過寫入sysfs屬性來啟用，這些屬性位於/sys/bus/iio/devices/iio:deviceX/events/目錄下。

將IIO事件傳遞到使用者空間

iio_push_event函式用於將事件推播到使用者空間的事件佇列中，通常在執行緒IRQ（中斷請求）處理程式中呼叫。

int iio_push_event(struct iio_dev *indio_dev, u64 ev_code, s64 timestamp);

• indio_dev：指向IIO裝置結構的指標。
• ev_code：包含通道型別、修飾符、方向和事件型別的事件程式碼。
• timestamp：事件發生的時間戳。

實作範例

在ADXL345驅動程式的中斷服務例程（ISR）中，當檢測到單次點選事件時，會呼叫iio_push_event將事件推播到使用者空間。

static irqreturn_t adxl345_event_handler(int irq, void *handle)
{
    // ...
    if (int_stat & (SINGLE_TAP)) {
        dev_info(data->dev, "single tap interrupt has occurred\n");
        if (tap_stat & TAP_X_EN) {
            iio_push_event(indio_dev,
                           IIO_MOD_EVENT_CODE(IIO_ACCEL, 0, IIO_MOD_X, IIO_EV_TYPE_THRESH, 0),
                           data->timestamp);
        }
        // ...
    }
    return IRQ_HANDLED;
}

內容解密：

1. iio_push_event函式：此函式負責將特定事件推播到使用者空間的佇列中，以便應用程式能夠讀取並回應這些事件。
2. ev_code引數：透過IIO_MOD_EVENT_CODE宏構建，包含有關事件的詳細資訊，如通道型別、修飾符、方向和事件型別。
3. timestamp引數：記錄事件發生的精確時間，有助於應用程式進行時序分析或排序處理。
4. 在ISR中使用：由於此函式通常在中斷服務例程（ISR）中被呼叫，因此需要確保執行效率，避免在ISR中進行耗時操作。

IIO實用工具

在開發IIO驅動程式時，可以使用一些實用的工具來簡化開發過程。這些工具位於核心原始碼樹的/tools/iio/目錄下，包括：

• lsiio：列舉IIO觸發器、裝置和可存取通道。
• iio_event_monitor：監控IIO裝置的ioctl介面上的IIO事件。
• iio_generic_buffer：監控、處理並列印從IIO裝置緩衝區接收到的資料。
• libiio：由Analog Devices開發的強大函式庫，用於與IIO裝置互動。

實驗11.1：“IIO混合訊號I/O裝置”模組

本實驗旨在為Maxim MAX11300裝置開發一個IIO驅動程式，並建立幾個使用者應用程式來從使用者空間控制GPIO。MAX11300是一款高度整合的裝置，結合了12位元多通道模擬數位轉換器（ADC）和12位元多通道緩衝數位類別比轉換器（DAC），並提供20個混合訊號高壓雙極性埠，可組態為ADC類別比輸入、DAC類別比輸出、通用輸入埠（GPI）、通用輸出埠（GPO）或類別比開關端子。

硬體設定

實驗中使用Raspberry Pi的SPI引腳連線到PIXI™ CLICK mikroBUS™插座，並進行相應的電源連線。具體步驟包括連線SPI訊號線（CE0、SCLK、MOSI、MISO）和電源引腳（3.3V、5V、GND），以及在HD2聯結器上進行必要的跳線設定。

工業I/O子系統中MAX11300裝置的裝置樹描述

在進行MAX11300裝置的驅動開發時，需要在裝置樹中對該裝置進行描述。以下將詳細介紹如何在bcm2710-rpi-3-b.dts檔案中新增MAX11300節點。

SPI0控制器節點組態

首先，開啟bcm2710-rpi-3-b.dts檔案，找到SPI0控制器主節點。在SPI0節點中，可以看到pinctrl-0屬性指向了組態SPI0控制器引腳的節點（spi0_pins和spi0_cs_pins）。cs-gpios屬性指定了用於片選的GPIO引腳。

&spi0 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&spi0_pins &spi0_cs_pins>;
    cs-gpios = <&gpio 8 1>, <&gpio 7 1>;
    // ...
}

新增MAX11300節點

在SPI0節點下，新增MAX11300節點。該節點包括二十個子節點，代表MAX11300裝置的不同埠。

max11300@0 {
    #size-cells = <0>;
    #address-cells = <1>;
    compatible = "maxim,max11300";
    reg = <0>;
    spi-max-frequency = <10000000>;

    // 子節點組態
    channel@0 {
        reg = <0>;
        port-mode = <PORT_MODE_7>;
        AVR = <0>;
        adc-range = <ADC_VOLTAGE_RANGE_PLUS10>;
        adc-samples = <ADC_SAMPLES_1>;
    };

    // ...
}

內容解密：

1. #size-cells和#address-cells屬性：這兩個屬性定義了子節點中reg屬性的地址和大小欄位的表示方式。在本例中，#address-cells設為1，表示每個子節點的地址需要一個單元格（u32）來表示；#size-cells設為0，表示子節點的大小欄位不需要任何單元格。
2. compatible屬性：該屬性必須與驅動程式中的of_device_id結構中的相容字串一致，以確保驅動程式能夠正確匹配裝置。
3. spi-max-frequency屬性：指定了裝置的最大SPI時脈頻率。
4. 子節點屬性：
   • reg：設定MAX11300裝置的埠號。
   • port-mode：設定所選埠的組態模式。
   • AVR：選擇ADC電壓參考源。
   • adc-range和dac-range：分別設定ADC和DAC相關模式下的電壓範圍。
   • adc-samples：設定ADC相關模式下的取樣次數。
   • negative-input：對於組態為模式8的埠，設定負輸入埠號。

包含必要的標頭檔案

為了使用MAX11300相關的定義，需要在bcm2710-rpi-3-b.dts檔案中包含maxim,max11300.h標頭檔案。

#include <dt-bindings/iio/maxim,max11300.h>

該標頭檔案包含了MAX11300裝置的DT繫結屬性的值，用於子節點的組態。

#ifndef _DT_BINDINGS_MAXIM_MAX11300_H
#define _DT_BINDINGS_MAXIM_MAX11300_H

#define PORT_MODE_0 0
#define PORT_MODE_1 1
// ...

#define ADC_SAMPLES_1 0
#define ADC_SAMPLES_2 1
// ...

#define ADC_VOLTAGE_RANGE_NOT_SELECTED 0
#define ADC_VOLTAGE_RANGE_PLUS10 1
// ...

#endif /* _DT_BINDINGS_MAXIM_MAX11300_H */

內容解密：

• 該標頭檔案定義了MAX11300裝置的不同工作模式、ADC取樣率以及電壓範圍等宏，用於在裝置樹中組態MAX11300裝置的子節點。

工業I/O子系統中MAX11300驅動程式的實作

MAX11300驅動程式是根據Paul Cercueil的AD5592R驅動程式開發的，主要涉及工業框架作為SPI互動、工業框架作為IIO裝置和GPIO驅動介面三個部分。

工業框架作為SPI互動

驅動程式透過SPI與MAX11300裝置進行互動，主要程式碼段包括：

1. 包含必要的標頭檔案：

   #include <linux/spi/spi.h>
   

2. 建立spi_driver結構：

   static struct spi_driver max11300_spi_driver = {
       .driver = {
           .name = "max11300",
           .of_match_table = of_match_ptr(max11300_of_match),
       },
       .probe = max11300_spi_probe,
       .remove = max11300_spi_remove,
       .id_table = max11300_spi_ids,
   };
   module_spi_driver(max11300_spi_driver);
   

3. 註冊到SPI匯流排作為驅動程式：

   module_spi_driver(max11300_spi_driver);
   

4. 新增"maxim,max11300"到驅動程式支援的裝置列表：

   static const struct of_device_id max11300_of_match[] = {
       { .compatible = "maxim,max11300", },
       {},
   };
   MODULE_DEVICE_TABLE(of, max11300_of_match);
   

5. 定義spi_device_id結構陣列：

   static const struct spi_device_id max11300_spi_ids[] = {
       { .name = "max11300", },
       {}
   };
   MODULE_DEVICE_TABLE(spi, max11300_spi_ids);
   

6. 初始化max11300_rw_ops結構，包含讀寫MAX11300暫存器的函式：

   static const struct max11300_rw_ops max11300_rw_ops = {
       .reg_write = max11300_reg_write,
       .reg_read = max11300_reg_read,
       .reg_read_differential = max11300_reg_read_differential,
   };
   

內容解密：

• max11300_rw_ops結構定義了與MAX11300裝置互動的回呼函式，包括寫入暫存器、讀取單端模式下的暫存器值和差分模式下的暫存器值。
• max11300_reg_write函式透過SPI寫入MAX11300暫存器，首先設定命令位元組（最低位為0表示寫入），然後使用spi_sync_transfer傳送命令和資料。
• max11300_reg_read函式讀取單端模式下的MAX11300暫存器值，設定命令位元組（最低位為1表示讀取），然後透過spi_sync_transfer接收資料，並將接收到的位元組順序調整為正確的位元組順序。
• max11300_reg_read_differential函式讀取差分模式下的MAX11300暫存器值，過程與單端模式類別似，但對接收到的值進行了符號擴充套件，以正確表示差分模式下的有符號數值。

工業框架作為IIO裝置

驅動程式將MAX11300裝置整合到IIO子系統中，主要程式碼段包括：

1. 包含必要的標頭檔案：

   #include <linux/iio/iio.h>
   

2. 定義全域性私有資料結構max11300_state：

   struct max11300_state {
       struct device *dev;
       const struct max11300_rw_ops *ops;
       struct gpio_chip gpiochip;
       // 其他成員變數...
   };
   

3. 在max11300_probe函式中分配IIO裝置和私有資料結構：

   struct iio_dev *indio_dev;
   struct max11300_state *st;
   indio_dev = devm_iio_device_alloc(dev, sizeof(*st));
   st = iio_priv(indio_dev);
   st->dev = dev;
   

內容解密：

• max11300_state結構用於管理MAX11300裝置的狀態和組態，包括指向SPI裝置的指標、GPIO控制器等。
• 在max11300_probe函式中，透過devm_iio_device_alloc分配IIO裝置和私有資料結構，並透過iio_priv取得私有資料結構的指標，實作了物理裝置與邏輯裝置之間的指標繫結。

驅動程式透過上述實作，能夠有效地管理MAX11300裝置，並提供與工業I/O子系統的整合。

MAX11300 驅動程式解析：工業 I/O 子系統的應用

MAX11300 是一款高度可組態的混合訊號積體電路，廣泛應用於工業控制系統。本文將探討 MAX11300 驅動程式的實作，特別是在 Linux 工業 I/O（IIO）子系統中的整合。

驅動程式初始化與裝置註冊

在 MAX11300 驅動程式中，max11300_probe() 函式負責初始化和註冊裝置。關鍵步驟包括：

1. 裝置資料結構初始化：建立並初始化 struct max11300_state，儲存裝置的狀態和組態資訊。
2. IIO 裝置註冊：使用 iio_device_alloc() 分配 IIO 裝置，並將其與 SPI 裝置繫結。
3. 通道組態：呼叫 max11300_alloc_ports() 組態 IIO 通道，根據裝置樹（DT）屬性設定埠模式和其他相關引數。

static int max11300_probe(struct spi_device *spi)
{
    struct iio_dev *iio_dev;
    struct max11300_state *st;
    // ...
    iio_dev = iio_device_alloc(&spi->dev, sizeof(*st));
    // ...
    dev_set_drvdata(&spi->dev, iio_dev);
    // ...
    max11300_alloc_ports(st);
    // ...
}

內容解密：

• iio_device_alloc()：分配 IIO 裝置，並將其與 SPI 裝置關聯。
• dev_set_drvdata()：將 IIO 裝置與 SPI 裝置繫結，方便在驅動程式中存取。
• max11300_alloc_ports()：根據 DT 組態 IIO 通道，設定埠模式和其他屬性。

通道組態與 DT 解析

max11300_alloc_ports() 函式負責解析 DT 中的通道子節點屬性，並根據這些屬性組態 MAX11300 的埠。主要的步驟包括：

1. 遍歷 DT 子節點：使用 device_for_each_child_node() 遍歷 MAX11300 節點下的每個子節點。
2. 讀取埠模式：使用 fwnode_property_read_u32() 讀取每個子節點的 port-mode 屬性，決定埠的操作模式。
3. 組態埠引數：根據不同的埠模式，讀取並儲存相關的組態引數，如 ADC 範圍、參考電壓等。

static int max11300_alloc_ports(struct max11300_state *st)
{
    struct fwnode_handle *child;
    u32 reg, tmp;
    // ...
    device_for_each_child_node(st->dev, child) {
        ret = fwnode_property_read_u32(child, "reg", &reg);
        // ...
        ret = fwnode_property_read_u32(child, "port-mode", &tmp);
        if (!ret)
            st->port_modes[reg] = tmp;
        // ...
        switch (st->port_modes[reg]) {
            case PORT_MODE_7:
                // 組態 PORT_MODE_7 相關引數
                break;
            case PORT_MODE_1:
                // 組態 GPI 埠
                st->gpio_offset[offset] = reg;
                st->num_gpios++;
                break;
            // 其他模式處理
        }
    }
    // ...
}

內容解密：

• device_for_each_child_node()：遍歷 DT 中的子節點，處理每個埠的組態。
• fwnode_property_read_u32()：讀取子節點中的屬性值，如 reg 和 port-mode。
• switch (st->port_modes[reg])：根據埠模式進行不同的組態處理，例如設定 ADC 或 DAC 相關引數。