Linux clock子系统及驱动实例

基本概念

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晶振：晶源振荡器
PLL：Phase lock loop，锁相环。用于提升频率
OSC：oscillator的简写，振荡器

CLK子系统

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Linux的时钟子系统由CCF（common clock framework）框架管理，CCF向上给用户提供了通用的时钟接口，向下给驱动开发者提供硬件操作的接口。各结构体关系如下：

CCF框架比较简单，只有这几个结构体。CCF框架分为了consumer、ccf和provider三部分。

consumer：

​ 时钟的使用者，clock子系统向consumer的提供通用的时钟API接口，使其可以屏蔽底层硬件差异。提供给consumer操作的API如下：

struct clk *clk_get(struct device *dev, const char *id);
struct clk *devm_clk_get(struct device *dev, const char *id);
int clk_enable(struct clk *clk);//使能时钟，不会睡眠
void clk_disable(struct clk *clk);//使能时钟，不会睡眠
unsigned long clk_get_rate(struct clk *clk);
void clk_put(struct clk *clk);
long clk_round_rate(struct clk *clk, unsigned long rate);
int clk_set_rate(struct clk *clk, unsigned long rate);
int clk_set_parent(struct clk *clk, struct clk *parent);
struct clk *clk_get_parent(struct clk *clk);
int clk_prepare(struct clk *clk);
void clk_unprepare(struct clk *clk);
int clk_prepare_enable(struct clk *clk) //使能时钟，可能会睡眠
void clk_disable_unprepare(struct clk *clk) //禁止时钟，可能会睡眠
unsigned long clk_get_rate(struct clk *clk) //获取时钟频率

consumer在使用这些API时，必须先调用devm_clk_get()或clk_get()获取一个struct clk *指针句柄，后续都通过传入该句柄来操作，struct clk相当于实例化一个时钟。

ccf：

​ clock子系统的核心，用一个struct clk_core结构体表示，每个注册设备都对应一个struct clk_core。

provider（时钟的提供者）：

struct clk_hw：表示一个具体的硬件时钟。

struct clk_init_data：struct clk_hw结构体成员，用于表示该时钟下的初始化数据，如时钟名字name、操作函数ops等。

// include/linux/clk-provider.h
struct clk_hw{struct clk_core *core;struct clk *clk;const struct clk_init_data *init;
}struct clk_init_data{const char *name;					//时钟名字const struct clk_ops *ops;			//时钟硬件操作函数集合const char *const *parent_names;	//父时钟名字const struct clk_parent_data *parent_data;const struct clk_hw	**parent_hws;u8 num_parents;unsigned long flags;
}

struct clk_ops：时钟硬件操作的函数集合，定义了操作硬件的回调函数，consumer在调用clk_set_rate()等API时会调用到struct clk_ops具体指向的函数，这个需要芯片厂商开发clock驱动时去实现。

//include/linux/clk-provider.hstruct clk_ops {int		(*prepare)(struct clk_hw *hw);void		(*unprepare)(struct clk_hw *hw);int		(*is_prepared)(struct clk_hw *hw);void		(*unprepare_unused)(struct clk_hw *hw);int		(*enable)(struct clk_hw *hw);void		(*disable)(struct clk_hw *hw);int		(*is_enabled)(struct clk_hw *hw);void		(*disable_unused)(struct clk_hw *hw);int		(*save_context)(struct clk_hw *hw);void		(*restore_context)(struct clk_hw *hw);unsigned long	(*recalc_rate)(struct clk_hw *hw,unsigned long parent_rate);long		(*round_rate)(struct clk_hw *hw, unsigned long rate,unsigned long *parent_rate);int		(*determine_rate)(struct clk_hw *hw,struct clk_rate_request *req);int		(*set_parent)(struct clk_hw *hw, u8 index);u8		(*get_parent)(struct clk_hw *hw);int		(*set_rate)(struct clk_hw *hw, unsigned long rate,unsigned long parent_rate);int		(*set_rate_and_parent)(struct clk_hw *hw,unsigned long rate,unsigned long parent_rate, u8 index);unsigned long	(*recalc_accuracy)(struct clk_hw *hw,unsigned long parent_accuracy);int		(*get_phase)(struct clk_hw *hw);int		(*set_phase)(struct clk_hw *hw, int degrees);int		(*get_duty_cycle)(struct clk_hw *hw,struct clk_duty *duty);int		(*set_duty_cycle)(struct clk_hw *hw,struct clk_duty *duty);int		(*init)(struct clk_hw *hw);void		(*terminate)(struct clk_hw *hw);void		(*debug_init)(struct clk_hw *hw, struct dentry *dentry);
};

struct clk_ops中每个函数功能在include/linux/clk-provider.h都有具体的说明，在开发clock驱动时，这些函数并不需要全部实现。下面列举几个最常用，也是经常需要实现的函数。

函数	说明
recalc_rate	通过查询硬件，重新计算此时钟的速率。可选，但建议——如果未设置此操作，则时钟速率初始化为0。
round_rate	给定目标速率作为输入，返回时钟实际支持的最接近速率。
set_rate	更改此时钟的速率。请求的速率由第二个参数指定，该参数通常应该是调用.round_rate返回。第三个参数给出了父速率，这对大多数.set_rate实现有帮助。成功返回0，否则返回-EERROR
enable	时钟enable
disable	时钟disable

时钟API的使用

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对于一般的驱动开发（非clock驱动），我们只需要在dts中配置时钟，然后在驱动调用通用的时钟API接口即可。
1、设备树中配置时钟

	mmc0:mmc0@0x12345678{compatible = "xx,xx-mmc0";......clocks = <&peri PERI_MCI0>;//指定mmc0的时钟来自PERI_MCI0，PERI_MCI0的父时钟是periclocks-names = "mmc0";	//时钟名，调用devm_clk_get获取时钟时，可以传入该名字......};

以mmc的设备节点为例，上述mmc0指定了时钟来自PERI_MCI0，PERI_MCI0的父时钟是peri，并将所指定的时钟给它命名为"mmc0"。

2、驱动中使用API接口

简单的使用：

/* 1、获取时钟 */
host->clk = devm_clk_get(&pdev->dev, NULL);	//或者devm_clk_get(&pdev->dev, "mmc0")if (IS_ERR(host->clk)) {dev_err(dev, "failed to find clock source\n");ret = PTR_ERR(host->clk);goto probe_out_free_dev;}/* 2、使能时钟 */
ret = clk_prepare_enable(host->clk);
if (ret) {dev_err(dev, "failed to enable clock source.\n");goto probe_out_free_dev;
}probe_out_free_dev:kfree(host);

在驱动中操作时钟，第一步需要获取struct clk指针句柄，后续都通过该指针进行操作，例如：
设置频率：

ret = clk_set_rate(host->clk, 300000);

获得频率：

ret = clk_get_rate(host->clk);

注意：devm_clk_get()的两个参数是二选一，可以都传入，也可以只传入一个参数。

像i2c、mmc等这些外设驱动，通常只需要使能门控即可，因为这些外设并不是时钟源，它们只有开关。如果直接调用clk_ser_rate函数设置频率，clk_set_rate会向上传递，即设置它的父时钟频率。例如在该例子中直接调用clk_set_rate函数，最终设置的是时钟源peri的频率。

clock驱动实例

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clock驱动在时钟子系统中属于provider，provider是时钟的提供者，即具体的clock驱动。clock驱动在Linux刚启动的时候就要完成，比initcall都要早期，因此clock驱动是在内核中进行实现。在内核的drivers/clk目录下，可以看到各个芯片厂商对各自芯片clock驱动的实现：

下面以一个简单的时钟树，举例说明一个芯片的时钟驱动的大致实现过程：

1、时钟树

通常来说，一个芯片的时钟树是比较固定的，例如，以下时钟树：

时钟树的根节点一般是晶振时钟，上图根节点为24M晶振时钟。根节点下面是PLL，PLL用于提升频率。PPL0下又分频给PERI、DSP和ISP。PLL1分频给DDR和ENC。

对于PLL来说，PLL的频率可以通过寄存器设置，但通常是固定的，所以PLL属于固定时钟。

对PERI、DSP等模块来说，它们的频率来自于PLL的分频，因此这些模块的时钟属于分频时钟。

2、设备树

设备树中表示一个时钟源，应有如下属性，例如24Mosc：

clocks{osc24M:osc24M{compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-output-name = "osc24M";clock-frequency = <24000000>;};
};

属性	说明
compatible	驱动匹配名字
#clock-cells	提供输出时钟的路数。#clock-cells为0时，代表输出一路时钟 #clock-cells为1时，代表输出2路时钟。
#clock-output-names	输出时钟的名字
#clock-frequency	输出时钟的频率

3、驱动实现

clock驱动编写的基本步骤：

1. 实现struct clk_ops相关成员函数
2. 定义分配struct clk_onecell_data结构体，初始化相关数据
3. 定义分配struct clk_init_data结构体，初始化相关数据
4. 调用clk_register将时钟注册进框架
5. 调用clk_register_clkdev注册时钟设备
6. 调用of_clk_add_provider，将clk provider存放到of_clk_provider链表中管理
7. 调用CLK_OF_DECLARE声明驱动

fixed_clk固定时钟实现

fixed_clk针对像PLL这种具有固定频率的时钟，对于PLL，我们只需要实现.recalc_rate函数
设备树：

#define PLL0_CLK 0clocks{osc24M:osc24M{compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-output-names = "osc24M";clock-frequency = <24000000>;};pll0:pll0{compatible = "xx, choogle-fixed-clk";#clock-cells = <0>;clock-id = <PLL0_CLK>;clock-frequency = <1000000000>;clock-output-names = "pll0";clocks = <&osc24M>;};
};

驱动：

#include <linux/clk-provier.h>
#include <linux/clkdev.h>
#include <linux/clk.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/delay.h>#define CLOCK_BASE 0X12340000
#define CLOCK_SIZE	0X1000struct xx_fixed_clk{void __iomem *reg;//保存映射后寄存器基址unsigned long fixed_rate;//频率int id;//clock idstruct clk_hw*;
}；
static unsigned long xx_pll0_fixed_clk_recalc_rate(struct clk_hw *hw, unsigned long parent_rate)
{unsigned long recalc_rate;//硬件操作：查询寄存器，获得分频系数，计算频率然后返回return recalc_rate;
}static struct clk_ops xx_pll0_fixed_clk_ops = {.recalc_rate		= 		xx_pll0_fixed_clk_recalc_rate,
};struct clk_ops *xx_fixed_clk_ops[] = {&xx_pll0_fixed_clk_ops,
};struct clk * __init xx_register_fixed_clk(const char *name, const char *parent_name,void __iomem *res_reg, u32 fixed_rate, int id, const struct clk_ops *ops)
{struct xx_fixed_clk *fixed_clk;struct clk *clk;struct clk_init_data init = {};fixed_clk = kzalloc(sizeof(*fixed_clk), GFP_KERNEL);if (!fixed_clk)return ERR_PTR(-ENOMEM);//初始化struct clk_init_data数据init.name = name;init.flags = CLK_IS_BASIC;init.parent_names = parent_name ? &parent_name : NULL;init.num_parents = parent_name ? 1 : 0;fixed_clk->reg = res_reg;//保存映射后的基址fixed_clk->fixed_rate = fixed_rate;//保存频率fixed_clk->id = id;//保存clock idfixed_clk->hw.init = &init;//时钟注册clk = clk_register(NULL, &fixed_clk->hw);if (IS_ERR(clk))kfree(fixed_clk);return clk;
}static void __init of_xx_fixed_clk_init(struct device_node *np)
{struct clk_onecell_data *clk_data;const char *clk_name = np->name;const char *parent_name = of_clk_get_parent_name(np, 0);void __iomem *res_reg = ioremap(CLOCK_BASE, CLOCK_SIZE);//寄存器基址映射u32 rate = -1;int clock_id, index, number;clk_data = kmalloc(sizeof(struct clk_onecell_data), GFP_KERNEL);if (!clk_data )return;number = of_property_count_u32_elems(np, "clock-id");clk_data->clks = kcalloc(number, sizeof(struct clk*), GFP_KERNEL);if (!clk_data->clks)goto err_free_data;of_property_read_u32(np, "clock-frequency", &rate);/*** 操作寄存器：初始化PLL时钟频率* ......*/for (index=0; index<number; index++) {of_property_read_string_index(np, "clock-output-names", index, &clk_name);of_property_read_u32_index(np, "clock-id", index, &clock_id);clk_data->clks[index] = xx_register_fixed_clk(clk_name, parent_name, res_reg, rate, clock_id, ak_fixed_clk_ops[pll_id]);if (IS_ERR(clk_data->clks[index])) {pr_err("%s register fixed clk failed: clk_name:%s, index = %d\n",__func__, clk_name, index);WARN_ON(true);continue;}clk_register_clkdev(clk_data->clks[index], clk_name, NULL);//注册时钟设备}clk_data->clk_num = number;if (number == 1) {of_clk_add_provider(np, of_clk_src_simple_get, clk_data->clks[0]);} else {of_clk_add_provider(np, of_clk_src_onecell_get, clk_data);}return;err_free_data:kfree(clk_data);}CLK_OF_DECLARE(xx_fixed_clk, "xx,xx-fixed-clk", of_xx_fixed_clk_init);

factor_clk分频时钟实现

peri的时钟来自于Pll的分频，对于这类时钟，需要实现.round_rate、.set_rate、.recalc_rate。

设备树：

#define PLL0_CLK 0
#defeine PLL0_FACTOR_PERI 0clocks{osc24M:osc24M{//晶振时钟compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-output-names = "osc24M";clock-frequency = <24000000>;};pll0:pll0{//pll倍频时钟compatible = "xx, xx-fixed-clk";#clock-cells = <0>;clock-id = <PLL0_CLK>;clock-frequency = <1000000000>;clock-output-names = "pll0";clocks = <&osc24M>;//pll的父时钟为24M晶振};factor_pll0_clk:factor_pll0_clk{//pll分频时钟compatible = "xx,xx-pll0-factor-clk";#clock-cells = <1>;clock-id = <PLL0_FACTOR_PERI>;clock-output-names = "pll0_peri";clocks = <&pll0 PLL0_CLK>;//PERI子系统的父时钟为pll0};
};

驱动：

static long xx_factor_pll0_clk_round_rate(struct  clk_hw *hw, unsigned long rate,unsigned long *parent_rate)
{unsigned long round_rate;//返回时钟实际支持的最接近速率return round_rate;
}
static int xx_factor_pll0_clk_set_rate(struct clk_hw *hw, unsigned long rate, unsigned long parent_rate)
{int ret = 0;//操作寄存器，设置频率return ret;
}static unsigned long xx_factor_pll0_clk_recalc_rate(struct clk_hw *hw, unsigned long parent_rate)
{unsigned long recalc_rate;//查询寄存器，获得分频系数，计算频率然后返回return recalc_rate;}const struct clk_ops xx_factor_clk_ops = {.round_rate = xx_factor_pll0_clk_round_rate,//给定目标速率作为输入，返回时钟.set_rate = xx_factor_pll0_clk_set_rate,.recalc_rate = xx_factor_pll0_clk_recalc_rate,
}static void __init of_xx_factor_clk_init(struct device_node *np)
{//驱动入口//参考上述pll的注册，唯一不同的就是struct clk_ops的成员函数实现
}CLK_OF_DECLARE(xx_factor_clk, "xx,xx-factor-clk", of_xx_facotr_clk_init);

gate_clk门控时钟实现

门控就是开关，对于门控而言，我们只需要实现struct clk_ops的.enable和.disable
设备树：

#define PLL0_CLK 0
#defeine PLL0_FACTOR_PERI 0
#define PERI_MCI0 0mmc0:mmc0@0x12345678{compatible = "xx,xx-mmc0";......clocks = <&peri PERI_MCI0>;clocks-names = "mmc0";......};clocks{osc24M:osc24M{compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-output-names = "osc24M";clock-frequency = <24000000>;};pll0:pll0{compatible = "xx, xx-fixed-clk";#clock-cells = <0>;clock-id = <PLL0_CLK>;clock-frequency = <1000000000>;clock-output-names = "pll0";clocks = <&osc24M>;};factor_pll0_clk:factor_pll0_clk{compatible = "xx,xx-pll0-factor-clk";#clock-cells = <1>;clock-id = <PLL0_FACTOR_PERI>;clock-output-names = "pll0_peri";clocks = <&pll0 PLL0_CLK>;};peri:peri{compatible = "xx,xx-gate-clk";#clock-cells = <1>;/*peri gate*/clock-id = <PERI_MCI0>;clock-output-names = "mci0_peri";clocks = <&factor_pll0_clk PLL0_FACTOR_PERI>;};
};

驱动：

static int xx_gate_clk_enable(struct clk_hw *hw)
{//寄存器操作，打开门控return 0;
}static int xx_gate_clk_disable(struct clk_hw *hw)
{//寄存器操作，门控关return 0;
}const struct clk_ops ak_gate_clk_ops = {.enable = xx_gate_clk_enable,.disable = xx_gate_clk_disable,
}static void __init of_xx_gate_clk_init(struct device_node *np)
{//参考上述fixed_clk的注册，几乎相同，只不过操作函数clk_ops的实现不一样
}CLK_OF_DECLARE(xx_gate_clk, "xx,xx-gate-clk", of_xx_gate_clk_init);

上述只是对clock驱动实现的简单举例，每个芯片厂商在clock驱动的实现上都有很大的差异。对于一般的驱动，只需要会简单的使用内核提供的时钟API接口即可。