Linux clock子系统及驱动实例

1、基本概念

晶振：晶源振荡器，提供时钟。

PLL：Phase lock loop，锁相环。用于提升频率。

OSC：oscillator的简写，振荡器。

2、clock子系统

图片来源：https://cloud.tencent.com/developer/article/1928685

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.h

struct 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);
};

3、时钟API的使用

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peri
  clocks-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。

4、clock驱动实例

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24M晶振时钟：

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

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 0

clocks{
 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 0X1000

struct 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 id
    struct 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 id

 fixed_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 0

clocks{
 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 0

mmc0: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);

每个芯片厂商在clock驱动的实现上都有很大的差异，上述只是对clock驱动实现的简单举例，作为参考。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。