Linux IIO驱动Triggered Buffer与DMA实现：嵌入式高性能数据采集实战

在Linux嵌入式开发中，尤其是在进行高性能SoC上的信号采集时，IIO (Industrial I/O) 子系统提供了强大的框架。为了实现连续、同步且高效的数据采集，掌握其高级特性至关重要，其中Triggered Buffer（触发缓冲）、DMA（直接内存访问）以及高精度时间戳是三个核心模块。

Triggered Buffer（触发缓冲区）：同步采集的基石

IIO子系统的Triggered Buffer是实现多通道同步、连续数据采集的核心机制。它确保在触发事件发生时，所有使能的通道在同一时刻被采样，并将数据高效地传输至用户空间。

其工作流程可概括为：

1. 触发事件：由外部硬件中断、高精度定时器或软件指令发起。
2. 触发器分发：IIO核心层接收信号，并调用所有关联此触发器的驱动回调函数。
3. 数据读取：驱动的中断处理函数被唤醒，从硬件寄存器读取所有使能通道的数据。
4. 推送至缓冲区：数据被打包后，推送到内核的环形缓冲区（Buffer）。
5. 用户态读取：用户空间通过poll或读取/dev/iio:deviceX字符设备获取数据。

IIO Buffer 是一个内核环形队列，数据按扫描顺序（Scan Order）排列。例如，启用通道0、2及时间戳后，Buffer中的一帧数据可能为：[Ch0][Ch2][填充][Timestamp]。内核利用kfifo等机制管理并发读写，防止数据丢失。

IIO Scan Mask（扫描掩码） 决定了哪些通道的数据会被放入Buffer。用户可通过Sysfs接口（如scan_elements/in_voltageX_en）动态选择通道，驱动则根据active_scan_mask读取相应的硬件寄存器。

常用触发器类型

• iio-trig-interrupt：基于物理中断触发，例如ADC完成采样后通过DRDY引脚产生中断。
• iio-trig-hrtimer：基于内核高精度定时器，适用于由SoC主控设定固定采样率（如1kHz）的场景。
• iio-trig-sysfs：软件触发，通过向特定sysfs文件写入指令来触发单次采样，主要用于调试。

驱动层实现详解

第一步：配置扫描元素

在iio_chan_spec结构体中定义通道的scan_index和scan_type，这决定了数据在Buffer中的布局。

static const struct iio_chan_spec ads1256_channels[] = {
    {
        .type = IIO_VOLTAGE,
        .indexed = 1,
        .channel = 0,
        .scan_index = 0, // 在Buffer中的排列顺序
        .scan_type = {
            .sign = 's',        // 有符号
            .realbits = 24,     // 真实有效位
            .storagebits = 32,  // 存储占用位（4字节对齐）
            .endianness = IIO_BE, // 大端（SPI常用）
        },
    },
    IIO_CHAN_SOFT_TIMESTAMP(1), // 添加时间戳通道，scan_index通常设为最高
};

第二步：实现触发器处理函数

这是采集的核心回调函数，在触发事件发生时被调用。

static irqreturn_t ads1256_trigger_handler(int irq, void *p)
{
    struct iio_poll_func *pf = p;
    struct iio_dev *indio_dev = pf->indio_dev;
    struct ads1256_state *st = iio_priv(indio_dev);
    u8 data[MAX_CHANNELS * 4 + 8]; // 数据缓冲区

    // 1. 根据active_scan_mask，读取所有使能通道的数据
    ads1256_read_active_channels(st, indio_dev->active_scan_mask, data);

    // 2. 将数据与高精度时间戳一同推入IIO Buffer
    iio_push_to_buffers_with_timestamp(indio_dev, data, iio_get_time_ns(indio_dev));

    // 3. 通知触发器本次处理完成
    iio_trigger_notify_done(indio_dev->trig);

    return IRQ_HANDLED;
}

第三步：初始化并关联Buffer

在驱动的probe函数中，调用API完成Buffer设置。

// 设置触发缓冲
ret = devm_iio_triggered_buffer_setup(dev, indio_dev,
                                      NULL, // top half 中断处理（可选）
                                      ads1256_trigger_handler, // bottom half 处理函数
                                      NULL);

进阶：DMA与零拷贝优化

当采样率极高或数据量巨大时，CPU频繁参与SPI/I2C读取并拷贝至内核Buffer会成为瓶颈。此时，可以借助DMA（直接内存访问）来实现零拷贝（Zero-copy），让数据直接从外设（如ADC）通过DMA传输到IIO Buffer所在的物理内存中。

实现思路：

1. 为IIO Buffer分配DMA可访问的内存区域（通常使用dma_alloc_coherent）。
2. 将这片内存区域注册为IIO Buffer的后端存储。
3. 配置ADC的DMA控制器，使其完成转换后自动将数据搬移到指定内存地址。
4. 触发处理函数中，仅需获取数据地址并添加时间戳，无需实际的数据拷贝操作。

这大幅降低了CPU占用率，提升了系统整体性能和实时性，是Linux驱动开发中进行高性能数据采集的关键优化手段。

总结

掌握IIO的Triggered Buffer机制是实现可靠同步采集的基础，而结合DMA的零拷贝技术则是迈向高性能嵌入式数据采集系统的进阶步骤。通过合理设计扫描掩码、选择触发源并优化数据通路，开发者可以充分挖掘硬件潜力，满足严苛的连续信号采集需求。