Linux clock子系统及驱动实例
在linux驱动中，操作时钟只需要简单调用内核提供的通用接口即可，clock驱动通常是由芯片厂商开发的，在linux启动时clock驱动就已经初始化完成。
本篇介绍linux clock子系统以及clock驱动的实现。
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。
clock子系统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.hstruct 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 = ;//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。
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 = ; clock-output-name = osc24m; clock-frequency = ; };};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：
实现struct clk_ops相关成员函数定义分配struct clk_onecell_data结构体，初始化相关数据定义分配struct clk_init_data结构体，初始化相关数据调用clk_register将时钟注册进框架调用clk_register_clkdev注册时钟设备调用of_clk_add_provider，将clk provider存放到of_clk_provider链表中管理调用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 = ; clock-output-names = osc24m; clock-frequency = ; }; pll0:pll0{ compatible = xx, choogle-fixed-clk; #clock-cells = ; clock-id = ; clock-frequency = ; clock-output-names = pll0; clocks = ; };};驱动：
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #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 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; indexclks[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);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。
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consumer ：
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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.hstruct 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
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1、设备树中配置时钟
mmc0:mmc0@0x12345678{ compatible = xx,xx-mmc0; ...... clocks = ;//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。
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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：
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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 = ; clock-output-name = osc24m; clock-frequency = ; };};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：
实现struct clk_ops相关成员函数定义分配struct clk_onecell_data结构体，初始化相关数据定义分配struct clk_init_data结构体，初始化相关数据调用clk_register将时钟注册进框架调用clk_register_clkdev注册时钟设备调用of_clk_add_provider，将clk provider存放到of_clk_provider链表中管理调用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 = ; clock-output-names = osc24m; clock-frequency = ; }; pll0:pll0{ compatible = xx, choogle-fixed-clk; #clock-cells = ; clock-id = ; clock-frequency = ; clock-output-names = pll0; clocks = ; };};驱动：
#include #include #include #include #include #include #include #include #include #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 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; indexclks[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);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。
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