驱动开发硬核特训 · Day 24（下篇）：深入理解 Linux 内核时钟子系统结构
一、前言
在上一章节中，我们详细探讨了 SoC 中时钟控制器的硬件组成和功能。本篇将聚焦于 Linux 内核中的时钟子系统，深入解析其架构、关键数据结构、驱动实现以及与设备树的关系，帮助您全面掌握时钟子系统的工作原理和开发要点。
二、Linux 内核时钟子系统概述
Linux 内核中的时钟子系统主要由 Common Clock Framework（CCF）组成，旨在为各种硬件平台提供统一的时钟管理接口。CCF 通过抽象不同类型的时钟，简化了时钟的注册、配置和使用流程，增强了内核的可移植性和可维护性。
CCF 的核心理念是构建一棵“时钟树”，从根节点的时钟源（如晶振、PLL）开始，经过分频器、复用器、门控器等中间节点，最终分发到各个外设模块。这种结构使得时钟的管理更加灵活和高效。
三、时钟子系统的核心组件
3.1 时钟提供者（Clock Provider）
时钟提供者是指那些生成和管理时钟信号的模块，如 PLL、分频器、复用器等。在内核中，时钟提供者通过注册相应的 clk_hw 结构体，将自身的时钟功能暴露给时钟框架。
每个时钟提供者需要实现一组 clk_ops 操作函数，用于控制时钟的启用、禁用、频率设置等。这些操作函数通过 clk_hw 结构体中的 init 成员与时钟框架关联。
3.2 时钟消费者（Clock Consumer）
时钟消费者是指那些使用时钟信号的模块，如 I2C、SPI、UART 等外设驱动。这些模块通过调用 clk_get、clk_prepare、clk_enable 等接口，从时钟框架中获取并启用所需的时钟。
时钟消费者无需关心底层时钟的具体实现，只需通过统一的接口进行操作，增强了驱动的可移植性。
3.3 时钟框架（Clock Framework）
时钟框架是连接时钟提供者和时钟消费者的桥梁，负责管理所有注册的时钟，维护时钟之间的父子关系，并提供统一的操作接口。时钟框架通过构建一棵时钟树，确保时钟信号的正确分发和管理。
四、关键数据结构解析
4.1 struct clk_hw
clk_hw 是时钟硬件的抽象结构体，代表一个具体的时钟实例。它包含指向 clk_core 的指针，以及初始化数据 init。clk_hw 是时钟提供者注册到时钟框架的主要接口。
struct clk_hw {struct clk_core *core;struct clk *clk;const struct clk_init_data *init;
};
4.2 struct clk_init_data
clk_init_data 包含时钟的初始化信息，如名称、操作函数、父时钟名称等。时钟提供者在注册时，需要填充该结构体，以供时钟框架使用。
struct clk_init_data {const char *name;const struct clk_ops *ops;const char * const *parent_names;const struct clk_parent_data *parent_data;const struct clk_hw **parent_hws;u8 num_parents;unsigned long flags;
};
4.3 struct clk_ops
clk_ops 定义了一组操作函数，用于控制时钟的启用、禁用、频率设置等。时钟提供者需要根据自身功能，实现相应的操作函数，并在 clk_init_data 中进行绑定。
struct clk_ops {int (*prepare)(struct clk_hw *hw);void (*unprepare)(struct clk_hw *hw);int (*enable)(struct clk_hw *hw);void (*disable)(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 (*set_rate)(struct clk_hw *hw, unsigned long rate, unsigned long parent_rate);int (*set_parent)(struct clk_hw *hw, u8 index);u8 (*get_parent)(struct clk_hw *hw);
};
五、时钟驱动的实现流程
5.1 定义时钟硬件结构体
根据时钟的类型，定义相应的结构体，并包含 clk_hw 作为成员。例如，对于固定频率的时钟，可以定义如下结构体：
struct clk_fixed_rate {struct clk_hw hw;unsigned long fixed_rate;
};
5.2 实现 clk_ops 操作函数
根据时钟的功能，实现相应的操作函数，并填充 clk_ops 结构体。例如，对于固定频率的时钟，只需实现 recalc_rate 函数：
static unsigned long clk_fixed_rate_recalc_rate(struct clk_hw *hw, unsigned long parent_rate) {struct clk_fixed_rate *fixed = container_of(hw, struct clk_fixed_rate, hw);return fixed->fixed_rate;
}static const struct clk_ops clk_fixed_rate_ops = {.recalc_rate = clk_fixed_rate_recalc_rate,
};
5.3 填充 clk_init_data 并注册时钟
在驱动的初始化函数中，填充 clk_init_data 结构体，并调用 clk_register 函数将时钟注册到时钟框架中：
struct clk_fixed_rate *fixed;
struct clk_init_data init;fixed = kzalloc(sizeof(*fixed), GFP_KERNEL);
fixed->fixed_rate = 24000000;init.name = "fixed_clk";
init.ops = &clk_fixed_rate_ops;
init.flags = 0;
init.parent_names = NULL;
init.num_parents = 0;fixed->hw.init = &init;clk_register(NULL, &fixed->hw);
六、设备树与时钟子系统的集成
在设备树中，可以通过定义 clock-controller 节点，描述时钟提供者的属性和结构。时钟消费者可以通过 phandle 引用相应的时钟提供者，获取所需的时钟。
例如，定义一个固定频率的时钟提供者：
fixed_clk: fixed-clock {compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-frequency = <24000000>;
};
时钟消费者可以通过以下方式引用该时钟：
uart0: serial@1000 {clocks = <&fixed_clk>;clock-names = "uart_clk";
};
内核在解析设备树时，会根据 compatible 属性加载相应的驱动，并完成时钟的注册和绑定。
七、时钟子系统的调试与验证
Linux 提供了多种方式来调试和验证时钟子系统的工作状态：
-
通过
cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary命令，可以查看当前系统中所有时钟的状态、频率和启用情况。 -
使用
clk_get_rate、clk_set_rate等接口，可以在驱动中动态获取和设置时钟频率。 -
通过内核日志，可以观察时钟的注册、启用和禁用过程，便于定位问题。
八、总结
本文系统地介绍了 Linux 内核时钟子系统的架构、关键数据结构、驱动实现流程以及与设备树的集成方式。通过理解时钟提供者、时钟消费者和时钟框架之间的关系，掌握 clk_hw、clk_init_data 和 clk_ops 等核心结构体的使用方法，开发者可以更加高效地实现和调试时钟相关的驱动程序。
时钟子系统作为 Linux 内核中至关重要的一部分，其稳定性和准确性直接影响到整个系统的性能和可靠性。因此，深入理解和掌握时钟子系统的工作原理，对于驱动开发者来说具有重要意义。