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驱动开发硬核特训 · Day 25 （附加篇）：从设备树到驱动——深入理解Linux时钟子系统的实战链路

news 来源：原创 2025/7/15 14:57:26

一、前言

在嵌入式Linux开发中，无论是CPU、外设控制器，还是简单的GPIO扩展器，大多数硬件模块都离不开时钟信号的支撑。

时钟子系统（Clock Subsystem），作为Linux内核中基础设施的一部分，为设备提供统一、灵活、可控的时钟管理机制。
然而，时钟子系统的工作方式常常隐藏在设备树配置与驱动框架之下，让初学者难以直观感知。

今天，我们将通过一个完整、清晰、实战化的例子，带你从设备树定义，到内核驱动调用核心API，全面理解时钟子系统的核心知识点和实际用途。

在这里插入图片描述

二、实战场景介绍

本次实战选取的例子是 —— UART 控制器（串口）。

在 i.MX8MP 平台上，UART1 控制器是一个非常典型的时钟消费者。它需要一个稳定的时钟源来驱动波特率生成器，确保数据收发的准确性。

三、设备树中的时钟配置

在设备树中，为每个时钟消费者（比如 UART）指定它需要的时钟源。来看具体的设备树片段（源自 i.MX8MP EVK 板）：

&uart1 { /* BT UART */pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_uart1>;assigned-clocks = <&clk IMX8MP_CLK_UART1>;assigned-clock-parents = <&clk IMX8MP_SYS_PLL1_80M>;uart-has-rtscts;status = "okay";
};

解释

assigned-clocks：指定要配置的时钟节点（这里是UART1的根时钟）。
assigned-clock-parents：指定该时钟的上游父时钟（这里是系统PLL1输出的80MHz频率）。
status = "okay"：使能设备。

小结

在设备树中，UART1通过 assigned-clocks 指定了自己依赖的时钟源。
这一步是让内核启动时，能够正确配置 UART 所需时钟。

四、时钟子系统在内核中的处理流程

内核解析设备树时，会执行以下步骤：

解析 assigned-clocks 属性
- 调用 of_clk_get() 获取时钟phandle。
设置父时钟（if assigned-clock-parents）
- 调用 clk_set_parent()。
设置频率（if assigned-clock-rates）
- 调用 clk_set_rate()。
将时钟与设备绑定
- 供后续驱动使用 clk_get() 提取并控制时钟。

总结一句话：内核在启动时，根据设备树，把设备需要的时钟准备好，驱动层可以直接使用。

五、驱动中的核心函数调用链

进入驱动注册时，通常在 probe() 函数中，设备驱动需要主动申请并启用时钟。

来看典型的 Linux 串口驱动核心代码（以drivers/tty/serial/fsl_lpuart.c为例）：

static int lpuart_probe(struct platform_device *pdev)
{struct resource *res;struct clk *clk;struct lpuart_port *sport;// ... 省略其他初始化代码clk = devm_clk_get(&pdev->dev, NULL);if (IS_ERR(clk))return PTR_ERR(clk);clk_prepare_enable(clk);// 后续设置UART寄存器，开始工作return 0;
}

解释

devm_clk_get(&pdev->dev, NULL)：从时钟子系统中获取设备绑定的时钟（根据设备树内容解析）。
clk_prepare_enable(clk)：准备并使能时钟，确保模块时钟打开，才能访问寄存器或工作。

这两个函数是驱动中最核心的标准时钟处理流程。

六、核心知识点总结

过程	内容	说明
设备树定义	通过 `assigned-clocks` `assigned-clock-parents`	指定设备需要使用的时钟及父时钟关系
内核解析设备树	使用 `of_clk_get()`、`clk_set_parent()` 等接口	完成设备初步时钟配置
驱动中申请时钟	使用 `devm_clk_get()` 获取时钟句柄	与设备生命周期绑定，自动管理释放
启用时钟	使用 `clk_prepare_enable()`	确保时钟开启，模块能够正常读写工作
关闭时钟	使用 `clk_disable_unprepare()`（通常在 remove 时）	释放功耗资源，避免悬空开启

七、完整链路小结（可视化）

[设备树]|v
解析 assigned-clocks → 绑定 clk_hw → 初始化频率和父时钟|v
驱动 probe 阶段|v
devm_clk_get() 获取时钟|v
clk_prepare_enable() 打开时钟|v
模块正常运行

八、实战小问答（加深记忆）

Q：如果不调用 clk_prepare_enable() 会怎么样？
➔ A：设备可能无法正常访问寄存器（时钟门控），导致挂死或者硬件超时错误。
Q：为什么用 devm_clk_get()？
➔ A：简化驱动资源管理，避免忘记释放时钟资源导致内存泄漏。
Q：时钟源一定是固定的吗？
➔ A：不一定，有些时钟（如CPU频率）是动态可变的，需要动态控制频率。

九、driver/clk/子系统的核心组成

在 Linux 内核中，driver/clk/ 目录下是整个 Common Clock Framework（CCF） 的具体实现。

它包含两大部分：

部分	作用
核心框架代码（Generic）	提供统一时钟注册、获取、启用、频率调整等API
平台时钟驱动（Platform-specific）	各芯片平台的具体时钟树实现，比如 imx8mp

十、实战中最关键的核心文件和功能

我们只讲跟设备树解析、驱动使用真正相关的代码，不浪费篇幅。

目录/文件	作用	备注
`drivers/clk/clk.c`	核心通用时钟框架逻辑	所有 clk_register, clk_get, clk_prepare_enable 都在这里最终处理
`drivers/clk/clk-fixed-rate.c`	实现固定频率的时钟（如设备树里的 fixed-clock）	常用于 camera、USB、PCIE refclk
`drivers/clk/imx/clk-imx8mp.c`	i.MX8MP 平台特有的时钟树搭建	把 IMX8MP 平台的所有时钟源、分频器、复用器建立起来

十一、真正重要的核心函数讲解（来自 driver/clk/clk.c）

11.1 `clk_register()`

🔵 作用：
在内核启动时，或者平台驱动初始化时，把一个新的时钟节点注册到内核的时钟树中。

🔵 主要流程：

将 struct clk_hw 转换为 struct clk_core
将 clk_core 挂到内核全局时钟链表
处理时钟父子关系

🔵 关键源码位置：

struct clk *clk_register(struct device *dev, struct clk_hw *hw)
{struct clk_core *core;...core = kzalloc(sizeof(*core), GFP_KERNEL);core->hw = hw;...hlist_add_head(&core->node, &clk_root_list);return __clk_create_clk(core, NULL);
}

这里的 clk_core 是真正管理时钟状态的内部结构。

11.2 `of_clk_get()` 和 `devm_clk_get()`

🔵 作用：

of_clk_get()：从设备树 phandle 提取时钟节点。
devm_clk_get()：在驱动中调用，帮你自动结合生命周期管理。

🔵 主要流程：

根据设备树 phandle 查找 clk_provider
通过 provider的 of_clk_src_onecell_get() 或类似接口拿到 clk

🔵 关键源码位置：

struct clk *of_clk_get(struct device_node *np, int index)
{...provider = of_parse_phandle(np, "clocks", index);...return provider->get(provider->data, index);
}

最终就是在驱动层 devm_clk_get() 里面，调用 of_clk_get()，并返回一个 clk 结构体给设备驱动用。

11.3 `clk_prepare_enable()` 和 `clk_disable_unprepare()`

🔵 作用：

clk_prepare_enable()：打开时钟，并确保硬件模块有时钟供给。
clk_disable_unprepare()：关闭时钟，释放资源。

🔵 核心调用逻辑：

int clk_prepare_enable(struct clk *clk)
{int ret;ret = clk_prepare(clk);if (ret)return ret;ret = clk_enable(clk);if (ret)clk_unprepare(clk);return ret;
}

本质就是调用底层时钟驱动注册时定义好的 enable/disable 函数指针。

比如：

PLL的 enable
gate clock 的开关
mux clock 的切换

十二、fixed-clock 举例（drivers/clk/clk-fixed-rate.c）

在设备树中，如果定义了：

pcie0_refclk: pcie0-refclk {compatible = "fixed-clock";#clock-cells = <0>;clock-frequency = <100000000>;
};

内核会自动匹配到 drivers/clk/clk-fixed-rate.c 中的 of_fixed_clk_setup()：

static void __init of_fixed_clk_setup(struct device_node *node)
{struct clk_fixed_rate *fixed;...fixed->hw.init = &init;clk_register(NULL, &fixed->hw);
}

➔ 最后也是通过 clk_register() 注册到内核时钟树。

所以：

fixed-clock → 固定频率的时钟节点
设备（比如 PCIe PHY）可以直接引用它做为参考时钟

✨ 最重要总结（一句话）

✅ 无论是外设驱动，还是内核框架，
✅ 设备树 → of_clk_get → clk_register → clk_prepare_enable
✅ 整个链路最终就是围绕 clk_core 和 clk_ops 把时钟管理起来，
✅ 保证所有设备能统一管理时钟、动态调频、动态开关。

📋 最后再给你一张核心流程小图（助记忆）

[设备树 clocks属性]↓
[of_clk_get()]↓
[clk_register() 把hw挂到core]↓
[devm_clk_get()]↓
[clk_prepare_enable()]↓
[设备驱动正常工作]