linux kernel 时钟框架详细介绍

转自http://blog.163.com/huawei_d/blog/static/2116102572012105105657141/

前言：在大部分情况下，设备的memory和IRQ资源不足够让驱动正常工作。board setup code 会用device 的platform_data域来为设备提供一些额外的资源。嵌入式系统上的设备会频繁地使用一个或者多个时钟，这些时钟因为
节电的原因只有在真正使用的时候才会被打开，系统在启动过程中会为设备分配时钟，可以通过clk_get(dev,clock_name)
来获得需要的时钟。
 
1 .clk初始化，采用一个链表把所有用到的时钟结构体链接在一起，该链表的头是clocks,
2.  arch/arm/plat_xxx: 特定平台的通用共用的代码。平台
      arch/arm/mach_xxx:  完全针对单个板的底层代码。单个板
3.  从一个时钟产生器(CLOCK generator)中产生的时钟分为两类：
        interfaces   clocks:  供给接口电路(总线？)   xx_ICLK
        functional clocks:    供给功能模块 。    xx_FCLK。
 
clk结构是根据平台自定的结构。
clk模型是平台特定的。
arch/arm/xx平台/clock.h  ：提供clk结构，及操作接口，宏定义。
arch/arm/xx平台/clock.c ：提供操作于该平台的时钟的操作。
 
mini2440上为了降低电磁干扰配备了12MHz的晶振，如果直接给当做cpu的时钟，那这个s3c2440a就屈才了。幸好cpu内部自带了MPLL将晶振时钟倍频使得cpu工作在FCLk及AHB总线上的外设工作在HCLK和APB总线上的外设工作在PCLK。当然还配有一个UPLL来产生恒定的48MHZ以支持usb2.0.
①.时钟源选择

在系统复位时检测引脚OM3:OM2，若是0:0，则主时钟源选择外部晶振，usb时钟源选择外部晶振
②.MPLLCON main
pll control 主时钟寄存器控制

用于设定FCLK和Fin的倍数。





Mpll(FCLK) = ( 2 × m × Fin ) / ( p × 2^s )

其中m=MDIV+8, p=PDIV+2, s=SDIV，Fin晶振频率

比如

Fin=12MHz

MDIV=0x7F=127，m=135

PDIV=2，p=4

SDIV=1，s=1

则FCLK=405MHz

注意：系统复位时，必须写一次MPLLCON UPLLCON
,这样系统才能正常工作。即使不改变其值，即使复位后MPLL UPLL都是使能的，也要写一次，另外还有如下



③.CLKDIVN clock divider control 时钟分频控制寄存器

用于设置 FCLK HCLK PCLK三者的比例



而CAMDIVN如下



比如
CAMDIVN[8]=0
CAMDIVN[9]=0
HDIVN=2，则HCLK=FCLK / 4
PDIVN=1,，则PCLK=HCLK / 2

有以下示例，摘自嵌入式linux开发完全手册



2011-12-18
2440的片内外设时钟使能控制





linux下将各个片内外设时钟统一管理,组成时钟队列。
arch/arm/plat-s3c24xx/s3c2410-clock.c

[cpp] view plaincopyprint?

static struct clk init_clocks_disable[] = {

{

.name = "nand",

.id = -1,

.parent = &clk_h,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_NAND,

}, {

.name = "sdi",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable =s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_SDI,

}, {

.name = "adc",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_ADC,

}, {

.name = "i2c",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_IIC,

}, {

.name = "iis",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_IIS,

}, {

.name = "spi",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_SPI,

}

};

static struct clk init_clocks[] = {

{

.name = "lcd",

.id = -1,

.parent = &clk_h,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_LCDC,

}, {

.name = "gpio",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_GPIO,

}, {

.name = "usb-host",

.id = -1,

.parent = &clk_h,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_USBH,

}, {

.name = "usb-device",

.id = -1,

.parent = &clk_h,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_USBD,

}, {

.name = "timers",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_PWMT,

}, {

.name = "uart",

.id = 0,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_UART0,

}, {

.name = "uart",

.id = 1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_UART1,

}, {

.name = "uart",

.id = 2,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_UART2,

}, {

.name = "rtc",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.enable = s3c2410_clkcon_enable,

.ctrlbit = S3C2410_CLKCON_RTC,

}, {

.name = "watchdog",

.id = -1,

.parent = &clk_p,

.ctrlbit = 0,

}, {

.name = "usb-bus-host",

.id = -1,

.parent = &clk_usb_bus,

}, {

.name = "usb-bus-gadget",

.id = -1,

.parent = &clk_usb_bus,

},

};

[cpp] view plaincopyprint?

//在需要操作各个外设的时钟时，就调用用内核提供的各个函数即可。如摘自mini2440_adc.c

static struct clk *adc_clock;

adc_clock = clk_get(NULL, "adc");//获取时钟

if (!adc_clock) {

printk(KERN_ERR "failed to get adc clock source\n");

return -ENOENT;

}

clk_enable(adc_clock);//使能时钟

//在不需要时，禁止掉

if (adc_clock) {

clk_disable(adc_clock);//禁止时钟

clk_put(adc_clock);

adc_clock = NULL;//源码下是一个空操作,可能是预留

}

    
adc_clock = clk_get(NULL, "adc");
    if (!adc_clock) {
        printk(KERN_ERR "failed to get adc clock source\n");
        return -ENOENT;
    }
   clk_use(adc_clock);
    clk_enable(adc_clock);

上面的这段代码是touchscreen的驱动中的一段，我不清楚，所以去学学系统各个模块时钟的使用方式。
在系统的初始化的时候，看见过，但是忘了，在回顾一下。
***********************************************************************

**********************************************************
那是在paging_init()中调用了 mdesc->map_io()，

void __init sbc2440_map_io(void)
{
    s3c24xx_init_io(sbc2440_iodesc, ARRAY_SIZE(sbc2440_iodesc));
    s3c24xx_init_clocks(12000000);//这个是系统各个部分始终初始化的起点
    s3c24xx_init_uarts(sbc2440_uartcfgs, ARRAY_SIZE(sbc2440_uartcfgs));
    s3c24xx_set_board(&sbc2440_board);

    s3c_device_nand.dev.platform_data = &bit_nand_info;
}

跟 cpu_table 有关，拷贝过来

/* table of supported CPUs */

static const char name_s3c2410[]  = "S3C2410";
static const char name_s3c2440[]  = "S3C2440";
static const char name_s3c2410a[] = "S3C2410A";
static const char name_s3c2440a[] = "S3C2440A";

static structcpu_table
cpu_ids[] __initdata = {
    {
        .idcode        = 0x32410000,
        .idmask        = 0xffffffff,
        .map_io        = s3c2410_map_io,
        .init_clocks    = s3c2410_init_clocks,
        .init_uarts    = s3c2410_init_uarts,
        .init        = s3c2410_init,
        .name        =name_s3c2410
    },
    {
        .idcode        = 0x32410002,
        .idmask        = 0xffffffff,
        .map_io        = s3c2410_map_io,
        .init_clocks    = s3c2410_init_clocks,
        .init_uarts    = s3c2410_init_uarts,
        .init        = s3c2410_init,
        .name        = name_s3c2410a
    },
    {
        .idcode        = 0x32440000,
        .idmask        = 0xffffffff,
        .map_io        = s3c2440_map_io,
        .init_clocks    = s3c2440_init_clocks,
        .init_uarts    = s3c2440_init_uarts,
        .init        = s3c2440_init,
        .name        = name_s3c2440
    },
    {
        .idcode        = 0x32440001,
        .idmask        = 0xffffffff,
        .map_io        = s3c2440_map_io,
        .init_clocks    = s3c2440_init_clocks,
        .init_uarts    = s3c2440_init_uarts,
        .init        = s3c2440_init,
        .name        = name_s3c2440a
    }
};

和时钟相关的调用路径： 在 s3c24xx_init_clocks()
-> (cpu->init_clocks)(xtal)-> s3c24xx_setup_clocks()
这个s3c24xx_setup_clocks()注册了系统的所有时钟，仔细看看它。

在这个函数被调用之前，代码已经根据 S3C2410_MPLLCON，S3C2410_CLKDIVN寄存器 和 晶振 的频率计算出了
fclk，hclk，pclk，他们应该分别是400M,100M，50M。

struct clk {
    struct list_head      list;
    struct module        *owner;
    struct clk           *parent;
    const char           *name;
    int              id;
    atomic_t              used;
    unsigned long         rate;
    unsigned long         ctrlbit;
    int            (*enable)(struct clk *, int enable);
};

clk数据结构是系统中时钟的抽象，它用list串成一个双向链表，在这个clocks链表里的clk结构，说明是系统中已经注册的，
parent表示他的来源，f,h,p之一，name是寻找到某个clk的唯一标识。enable是面向对象的思想的体现，不过，这里
没有用到，只是全部被填充为 s3c24xx_clkcon_enable()。

/* clock information */

static LIST_HEAD(clocks);
static DECLARE_MUTEX(clocks_sem);

/* clock definitions */

static struct clk init_clocks[]=
{
    { .name    = "nand",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_h,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_NAND
    },
    { .name    = "lcd",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_h,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_LCDC
    },
    { .name    = "usb-host",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_h,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_USBH
    },
    { .name    = "usb-device",
      .id       = -1,
      /*.parent  = &clk_h, */
      .parent  = &clk_xtal,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_USBD
    },
    { .name    = "timers",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_PWMT
    },
    { .name    = "sdi",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_SDI
    },
    { .name    = "uart",
      .id       =0,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_UART0
    },
    { .name    = "uart",
      .id       =1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_UART1
    },
    { .name    = "uart",
      .id       =2,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_UART2
    },
    { .name    = "gpio",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_GPIO
    },
    { .name    = "rtc",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_RTC
    },
    { .name    = "adc",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_ADC
    },
    { .name    = "i2c",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_IIC
    },
    { .name    = "iis",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_IIS
    },
    { .name    = "spi",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .enable  = s3c24xx_clkcon_enable,
      .ctrlbit = S3C2410_CLKCON_SPI
    },
    { .name    = "watchdog",
      .id       = -1,
      .parent  = &clk_p,
      .ctrlbit = 0
    }
};

仔细看，usb-device 的parent有些特别，watchdog没有enable，只有uart才有id，其他的id都是-1。

下面可以看 s3c24xx_setup_clocks()了，像所注视的那样，它初始化了所有的时钟，其实是注册到clocks链表里面，以后可以从clocks
链表中找到。

/* initalise all the clocks */

int __init s3c24xx_setup_clocks(unsigned long xtal,
                unsigned long fclk,
                unsigned long hclk,
                unsigned long pclk)
{
    struct clk *clkp = init_clocks;
    int ptr;
    int ret;

    printk(KERN_INFO "S3C2410 Clocks, (c) 2004 Simtec Electronics\n");

    /* initialise the main system clocks */

    clk_xtal.rate = xtal;

    clk_h.rate = hclk;
    clk_p.rate = pclk;
    clk_f.rate = fclk;

上面的时钟是祖宗级别的，他们的频率已经被确定了。
分别代表晶震12Mhz，arm核400M，h总线100M，p总线50M。

    /* it looks like just setting the register here is not good
     * enough, and causes the odd hang at initial boot time, so
     * do all of them indivdually.
     *
     * I think disabling the LCD clock if the LCD is active is
     * very dangerous, and therefore the bootloader should be
     * careful to not enable the LCD clock if it is not needed.
     *
     * and of course, this looks neater
     */

    s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_NAND, 0);  // ghcstop: disable? ==> enable
    s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_USBH, 0);
    s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_USBD, 0);
    s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_ADC, 0);
    s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_IIC, 0);
    s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_SPI, 0);
    //s3c24xx_clk_enable(S3C2410_CLKCON_IIS, 1); // default value is 1 ==> enable

s3c24xx_clk_enable用来使能/禁止系统对某个模块供应时钟，他操作的对象是CLKCON，这个寄存器的bit[4~20]每位代表
了系统中的一个模块的时钟供应情况，要么使能，要么禁止。bit[2~3]分别代表idle和sleep模式,所以s3c24xx_clk_enable
总是去擦出这两个bit位。然后根据第2个参数去打开(1)／禁止(0)对某个模块的时钟供应。
显然，上面的操作都是禁止时钟供应的，包括nand,usbhost,usbdevice,adc,iic,spi。

    /* assume uart clocks are correctly setup */

    /* register our clocks */

    if (s3c24xx_register_clock(&clk_xtal) < 0)
        printk(KERN_ERR "failed to register master xtal\n");

    if (s3c24xx_register_clock(&clk_f) < 0)
        printk(KERN_ERR "failed to register cpu fclk\n");

    if (s3c24xx_register_clock(&clk_h) < 0)
        printk(KERN_ERR "failed to register cpu hclk\n");

    if (s3c24xx_register_clock(&clk_p) < 0)
        printk(KERN_ERR "failed to register cpu pclk\n");

s3c24xx_register_clock用于注册这个时钟到clocks链表，他还设置clk的owner成员为内核模块所拥有，
并且设置clk->used原子型结构为没有被使用(0)，然后根据clk->enable有无初始值，为没有初始值的设置一个
哑clk_null_enable，上面的四个base clock都是不能被关闭的，所以他们的clk->enable成员都是clk_null_enable

    /* register clocks from clock array */

    for (ptr = 0; ptr < ARRAY_SIZE(init_clocks); ptr++, clkp++) {
        ret =s3c24xx_register_clock(clkp);
        if (ret < 0) {
            printk(KERN_ERR "Failed to register clock %s (%d)\n",
                   clkp->name, ret);
        }
    }

上面完成了系统其他部分时钟初始化，当然这部分才是我们关心的内容，这些模块的时钟源都来自base clock。
其中watchdog没有enable成员，不能被关闭。

    return 0;
}//s3c24xx_setup_clocks()end

下面是四个系统的基本时钟，clk_xtal代表晶震。
他们的rate都被上面的函数确定了，而其他部分的时钟还没有rate呢。

/* base clocks */

static struct clk clk_xtal
= {
    .name        = "xtal",
    .id        = -1,
    .rate        = 0,
    .parent        = NULL,
    .ctrlbit    = 0,
};

static struct clkclk_f=
{
    .name        = "fclk",
    .id        = -1,
    .rate        = 0,
    .parent        = NULL,
    .ctrlbit    = 0,
};

static struct clkclk_h
= {
    .name        = "hclk",
    .id        = -1,
    .rate        = 0,
    .parent        = NULL,
    .ctrlbit    = 0,
};

static struct clkclk_p
= {
    .name        = "pclk",
    .id        = -1,
    .rate        = 0,
    .parent        = NULL,
    .ctrlbit    = 0,
};

宏THIS_MODULE，它的定义如下是#define THIS_MODULE (&__this_module)，__this_module是一个struct module变量，
代表当前模块，跟current有几分相似。可以通过THIS_MODULE宏来引用模块的struct module结构

好了，回头看看让我晕的函数。

    adc_clock = clk_get(NULL, "adc");
    if (!adc_clock) {
        printk(KERN_ERR "failed to get adc clock source\n");
        return -ENOENT;
    }
    clk_use(adc_clock);
    clk_enable(adc_clock);

上面涉及到3个函数，分别是clk_get，clk_use，clk_enable()。
其中clk_get()的主要代码如下：

        list_for_each_entry(p, &clocks, list) {
            if (p->id == -1 && strcmp(id, p->name) == 0 &&
                try_module_get(p->owner)) {
                clk = p;
                break;
            }
        }
看到了吧，不再clocks这个时钟链表里的时钟配置是不会被看到的，这都是s3c24xx_register_clock()函数的功劳，
然后他根据名字，找到对应的时钟结构，比如根据"adc"找到adc的clk结构，然后增加对这个模块的使用计数，最后返回
这个找到的clk指针。

clk_use()很简单，只是单纯的增加本时钟的使用
int clk_use(struct clk *clk)
{
    atomic_inc(&clk->used);
    return 0;
}

在看时钟打开函数，
clk_enable(adc_clock)
int clk_enable(struct clk *clk)
{
    if (IS_ERR(clk))
        return -EINVAL;

    return
(clk->enable)(clk, 1);
}
这里就体现出了面向对象的思想了，其中watchdog，四个基本的时钟是没有打开关闭的。
当然这个函数也是最主要的操作，他包含了对寄存器CLKCON的操作。