一文搞懂 | Linux 时钟子系统

Clock 时钟是 SoC 中的脉搏，它控制着各个部件按照各自的节奏运行。例如，CPU 主频设置、串口的波特率设置、I2S 的采样率设置、I2C 的速率设置等等。这些不同的 clock 设置都需要从某个或某几个时钟源头而来，最终形成一颗时钟树。可以通过 cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary 命令查看这棵时钟树。

内核中使用 CCF 框架来管理 clock。如下图所示，右边是 clock 提供者，即 Clock Provider；中间是 CCF；左边是设备驱动的 clock 使用者，即 Clock Consumer。

Clock Provider

• 根节点一般是 Oscillator（有源振荡器）或者 Crystal（无源振荡器）。
• 中间节点有很多种，包括 PLL（锁相环，用于提升频率的），Divider（分频器，用于降频的），Mux（从多个clock path中选择一个），Gate（用来控制ON/OFF的）。
• 叶节点是使用 clock 做为输入的、有具体功能的 HW block。

根据 clock 的特点，clock framework 将 clock 分为 fixed rate、gate、devider、mux、fixed factor、composite 六类。

数据结构

上面六类本质上都属于clock device，内核把这些 clock HW block 的特性抽取出来，用 struct clk_hw 来表示，具体如下：

struct clk_hw {
  //指向CCF模块中对应 clock device 实例
 struct clk_core *core;
  //clk是访问clk_core的实例。每当consumer通过clk_get对CCF中的clock device（也就是clk_core）发起访

问的时候都需要获取一个句柄，也就是clk
 struct clk *clk;
  //clock provider driver初始化时的数据，数据被用来初始化clk_hw对应的clk_core数据结构。
 const struct clk_init_data *init;
};

struct clk_init_data {
  //该clock设备的名字
 const char  *name;
  //clock provider driver进行具体的 HW 操作
 const struct clk_ops *ops;
  //描述该clk_hw的拓扑结构
 const char  * const *parent_names;
 const struct clk_parent_data *parent_data;
 const struct clk_hw  **parent_hws;
 u8   num_parents;
 unsigned long  flags;
};

以固定频率的振动器 fixed rate 为例，它的数据结构是：

struct clk_fixed_rate {
  //下面是fixed rate这种clock device特有的成员
  struct        clk_hw hw；
  //基类
  unsigned long    fixed_rate;
  unsigned long    fixed_accuracy;
  u8        flags;
};

其他的特定的clock device大概都是如此，这里就不赘述了。

这里用一张图描述这些数据结构之间的关系：

注册方式

理解了数据结构，我们再看下每类 clock device 的注册方式。

1. fixed rate clock

这一类clock具有固定的频率，不能开关、不能调整频率、不能选择parent，是最简单的一类clock。可以直接通过 DTS 配置的方式支持。也可以通过接口，可以直接注册 fixed rate clock，如下：

CLK_OF_DECLARE(fixed_clk, "fixed-clock", of_fixed_clk_setup);

struct clk *clk_register_fixed_rate(struct device *dev, const char *name,
                const char *parent_name, unsigned long flags,
                unsigned long fixed_rate);

2. gate clock

这一类clock只可开关（会提供.enable/.disable回调），可使用下面接口注册：

struct clk *clk_register_gate(struct device *dev, const char *name,
                const char *parent_name, unsigned long flags,
                void __iomem *reg, u8 bit_idx,
                u8 clk_gate_flags, spinlock_t *lock);

3. divider clock

这一类clock可以设置分频值（因而会提供.recalc_rate/.set_rate/.round_rate回调），可通过下面两个接口注册：

struct clk *clk_register_divider(struct device *dev, const char *name,
                const char *parent_name, unsigned long flags,
                void __iomem *reg, u8 shift, u8 width,
                u8 clk_divider_flags, spinlock_t *lock);
                
struct clk *clk_register_divider_table(struct device *dev, const char *name,
                const char *parent_name, unsigned long flags,
                void __iomem *reg, u8 shift, u8 width,
                u8 clk_divider_flags, const struct clk_div_table *table,
                spinlock_t *lock);

4. mux clock

这一类clock可以选择多个parent，因为会实现.get_parent/.set_parent/.recalc_rate回调，可通过下面两个接口注册：

struct clk *clk_register_mux(struct device *dev, const char *name,
                const char **parent_names, u8 num_parents, unsigned long flags,
                void __iomem *reg, u8 shift, u8 width,
                u8 clk_mux_flags, spinlock_t *lock);
                
struct clk *clk_register_mux_table(struct device *dev, const char *name,
                const char **parent_names, u8 num_parents, unsigned long flags,
                void __iomem *reg, u8 shift, u32 mask,
                u8 clk_mux_flags, u32 *table, spinlock_t *lock);

5. fixed factor clock

这一类clock具有固定的factor（即multiplier和divider），clock的频率是由parent clock的频率，乘以mul，除以div，多用于一些具有固定分频系数的clock。由于parent clock的频率可以改变，因而fix factor clock也可该改变频率，因此也会提供.recalc_rate/.set_rate/.round_rate等回调。可通过下面接口注册：

struct clk *clk_register_fixed_factor(struct device *dev, const char *name,
                const char *parent_name, unsigned long flags,
                unsigned int mult, unsigned int div);

6. composite clock

顾名思义，就是mux、divider、gate等clock的组合，可通过下面接口注册：

struct clk *clk_register_composite(struct device *dev, const char *name,
                const char **parent_names, int num_parents,
                struct clk_hw *mux_hw, const struct clk_ops *mux_ops,
                struct clk_hw *rate_hw, const struct clk_ops *rate_ops,
                struct clk_hw *gate_hw, const struct clk_ops *gate_ops,
                unsigned long flags);

这些注册函数最终都会通过函数 clk_register 注册到 Common Clock Framework 中，返回为 struct clk 指针。如下所示：

然后将返回的 struct clk 指针，保存在一个数组中，并调用 of_clk_add_provider 接口，告知 Common Clock Framework。

Clock Consumer

获取 clock

即通过 clock 名称获取 struct clk 指针的过程，由 clk_get、devm_clk_get、clk_get_sys、of_clk_get、of_clk_get_by_name、of_clk_get_from_provider 等接口负责实现，这里以 clk_get 为例，分析其实现过程：

struct clk *clk_get(struct device *dev, const char *con_id)
{
 const char *dev_id = dev ? dev_name(dev) : NULL;
 struct clk *clk;

 if (dev) {
  //通过扫描所有“clock-names”中的值，和传入的name比较，如果相同，获得它的index（即“clock-names”中的

第几个），调用of_clk_get，取得clock指针。
  clk = __of_clk_get_by_name(dev->of_node, dev_id, con_id);
  if (!IS_ERR(clk) || PTR_ERR(clk) == -EPROBE_DEFER)
   return clk;
 }

 return clk_get_sys(dev_id, con_id);
}
struct clk *of_clk_get(struct device_node *np, int index)
{
        struct of_phandle_args clkspec;
        struct clk *clk;
        int rc;
 
        if (index return ERR_PTR(-EINVAL);
 
        rc = of_parse_phandle_with_args(np, "clocks", "#clock-cells", index,
                                        &clkspec);
        if (rc)
                return ERR_PTR(rc);
       //获取clock指针
        clk = of_clk_get_from_provider(&clkspec);
        of_node_put(clkspec.np);
        return clk;
}

of_clk_get_from_provider 通过便利 of_clk_providers 链表，并调用每一个 provider 的 get 回调函数，获取 clock 指针。如下：

struct clk *of_clk_get_from_provider(struct of_phandle_args *clkspec)
{
        struct of_clk_provider *provider;
        struct clk *clk = ERR_PTR(-ENOENT);
 
        /* Check if we have such a provider in our array */
        mutex_lock(&of_clk_lock);
        list_for_each_entry(provider, &of_clk_providers, link) {
                if (provider->node == clkspec->np)
                        clk = provider->get(clkspec, provider->data);
                if (!IS_ERR(clk))
                        break;
        }
        mutex_unlock(&of_clk_lock);
 
        return clk;
}

至此，Consumer 与 Provider 里讲的 of_clk_add_provider 对应起来了。

操作 clock

//启动clock前的准备工作/停止clock后的善后工作。可能会睡眠。
int clk_prepare(struct clk *clk)
void clk_unprepare(struct clk *clk)
 
//启动/停止clock。不会睡眠。
static inline int clk_enable(struct clk *clk)
static inline void clk_disable(struct clk *clk)

//clock频率的获取和设置
static inline unsigned long clk_get_rate(struct 
clk *clk)
static inline int clk_set_rate(struct clk *clk, unsigned long rate)
static inline long clk_round_rate(struct clk *clk, unsigned long rate)

//获取/选择clock的parent clock
static inline int clk_set_parent(struct clk *clk, struct clk *parent)
static inline struct clk *clk_get_parent(struct clk *clk)
 
//将clk_prepare和clk_enable组合起来，一起调用。将clk_disable和clk_unprepare组合起来，一起调用
static inline int clk_prepare_enable(struct clk *clk)
static inline void clk_disable_unprepare(struct clk *clk)

总结

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