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驱动开发硬核特训 · Day 27（下篇）：深入掌握 Common Clock Framework 架构与实战开发

news 来源：原创 2025/7/14 0:41:10

节。

在本篇内容中，我们将围绕 Linux 内核中的时钟子系统核心架构 —— Common Clock Framework（简称 CCF）展开深入讲解，目标是帮助你全面理解其设计理念、主要数据结构、注册流程、驱动实现方式，以及如何基于 NXP i.MX8MP 平台进行完整的时钟驱动开发。

一、Common Clock Framework 简介

Common Clock Framework（CCF）是 Linux 内核自 v3.4 起引入的通用时钟架构，用于统一管理 SoC 上所有的时钟资源，解决平台异构、驱动分裂、代码冗余等问题。

CCF 的设计目标是：

提供统一的时钟抽象接口（如 clk_get() / clk_prepare() / clk_enable()）。
支持复杂的时钟树结构，包括分频、门控、复用器等组件。
支持时钟源的动态切换与频率动态调整（DFS）。
解耦设备驱动与时钟控制的实现。

二、CCF 的三大核心角色与架构总览

在上一篇中我们已概述三个核心角色：

角色	作用	示例
时钟提供者（Provider）	注册并实现时钟控制逻辑，如 PLL、分频器、门控器	NXP CCM 时钟控制器驱动
时钟消费者（Consumer）	使用时钟接口获取和启用时钟	UART/I2C 等外设驱动
时钟框架（Framework）	统一管理所有时钟，维护拓扑关系与接口	drivers/clk/clk.c

架构示意图：

+---------------------+      +-------------------+
| UART 驱动 (Consumer)|<---->|   CCF 框架层       |
+---------------------+      +-------------------+↑|+---------------------+| 时钟控制器驱动       || (如 fsl-imx8mp-ccm)  |+---------------------+

在这里插入图片描述

三、CCF 核心数据结构分析

1. `struct clk_hw`

该结构体表示一个底层时钟硬件实体，由时钟提供者实现：

struct clk_hw {struct clk_core *core;struct clk_init_data *init;// 可扩展的私有数据指针
};

2. `struct clk_ops`

用于定义操作时钟的函数集，是最关键的回调接口：

struct clk_ops {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);...
};

3. `struct clk_init_data`

用于注册时钟时的初始化信息：

struct clk_init_data {const char *name;const struct clk_ops *ops;const char * const *parent_names;u8 num_parents;unsigned long flags;
};

四、时钟提供者（Provider）注册流程

Provider 通过 clk_register() 或 devm_clk_hw_register() 将 clk_hw 实例注册给框架，框架内部建立 clk_core 对象并添加至全局时钟树。

示例流程：

定义 clk_ops 实现；
构造 clk_hw；
填写 clk_init_data；
调用 devm_clk_hw_register() 完成注册；
若是 platform 设备，通过 of_clk_add_hw_provider() 提供给设备树接口。

五、实战开发：NXP i.MX8MP 时钟驱动解析

我们以 NXP i.MX8MP 的 UART2 根时钟 IMX8MP_CLK_UART2_ROOT 为例，讲解从时钟控制器提供者，到 UART2 驱动消费者的完整链路。

1. 设备树配置分析

uart2: serial@30890000 {compatible = "fsl,imx8mp-uart", "fsl,imx6q-uart";reg = <0x30890000 0x10000>;interrupts = <GIC_SPI 27 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;clocks = <&clk IMX8MP_CLK_UART2_ROOT>,<&clk IMX8MP_CLK_UART2_ROOT>;clock-names = "ipg", "per";status = "disabled";
};

<&clk IMX8MP_CLK_UART2_ROOT> 表示设备节点引用了 ID 为 IMX8MP_CLK_UART2_ROOT 的时钟，provider 必须实现它。

2. Provider 实现（drivers/clk/imx/clk-imx8mp.c）

static const struct imx8m_clk_root_clk uart2_root = {.id = IMX8MP_CLK_UART2_ROOT,.name = "uart2_root_clk",.parent_names = (const char *[]){ "uart2_div" },.num_parents = 1,.flags = CLK_SET_RATE_PARENT,
};

注册流程：

hw = imx8m_clk_hw_register_composite(NULL, clk_root->name,clk_root->parent_names, clk_root->num_parents,mux_hw, &clk_mux_ops,rate_hw, &clk_divider_ops,gate_hw, &clk_gate_ops,clk_root->flags);

注：每个 root clock 通常由一个复用器、一个分频器和一个门控组成，符合 CCF 的复合时钟模型。

六、时钟消费者如何使用时钟

驱动中使用以下接口获取与控制时钟：

struct clk *clk = devm_clk_get(dev, "ipg");
clk_prepare_enable(clk);
...
clk_disable_unprepare(clk);

内核根据 clock-names 字符串与设备树中的 <&clk ID> 找到实际的 clk_core 实例，进一步调用对应 clk_ops 接口。

七、完整代码实例：模拟一个外设时钟 Provider

以下模拟一个名为 "demo-gate-clk" 的时钟，基于 GPIO 控制实现一个简单门控时钟：

1. 示例平台驱动结构：

static struct clk_hw *demo_clk_hw;
static struct clk_ops demo_clk_ops = {.enable = demo_clk_enable,.disable = demo_clk_disable,
};static int demo_clk_probe(struct platform_device *pdev)
{struct clk_init_data init;demo_clk_hw = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*demo_clk_hw), GFP_KERNEL);init.name = "demo-gate-clk";init.ops = &demo_clk_ops;init.num_parents = 0;init.flags = 0;demo_clk_hw->init = &init;clk_hw_register(&pdev->dev, demo_clk_hw);of_clk_add_hw_provider(pdev->dev.of_node, of_clk_hw_simple_get, demo_clk_hw);return 0;
}

2. 在设备树中描述该时钟：

demo_clk: demo-clk {compatible = "vendor,demo-gate-clk";#clock-cells = <0>;
};

3. 在其他设备中消费该时钟：

my_peripheral@12340000 {...clocks = <&demo_clk>;clock-names = "core";
};

八、Framework 的统一管理机制

Linux 内核 CCF 框架通过 clk_core 全局对象池，维持整个时钟拓扑结构，并提供统一接口进行操作与调试。

核心文件位于 drivers/clk/clk.c，负责：

初始化时钟树结构；
实现 clk_get()、clk_set_rate() 等函数；
管理依赖关系（父子时钟）；
调度跨时钟域变更时的同步机制。

框架的调试接口如：

cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary

可查看当前系统所有时钟状态。

九、总结与实战建议

Provider 注册逻辑必须按 CCF 规则实现 clk_hw、clk_ops，并注册给框架；
Consumer 驱动应只依赖标准 clk_*() 接口，不直接操作硬件；
Framework 负责维护拓扑、管理父子关系、支持动态调频调占；
实战中，先梳理平台提供的 clock ID 定义（如 imx8mp-clock.h），再定位 clock controller 驱动；
开发自定义外设或 FPGA 时钟控制时，也可编写 Provider 兼容设备树接口。

十、每日提问与答案

问题 1：一个时钟可以有多个父时钟吗？如何选择？

回答：
可以。CCF 支持多父时钟的复用器机制，注册 clk_hw 时传入多个 parent_names，并实现 set_parent() 和 get_parent() 回调。使用者可调用 clk_set_parent() 选择目标父时钟。

问题 2：如何调试某个时钟未启用的问题？

回答：
可通过以下方式定位：

cat /sys/kernel/debug/clk/clk_summary 查看时钟是否启用；
查看是否被 Consumer 使用并调用 clk_prepare_enable()；
检查 Provider 的 clk_ops.enable() 是否被成功执行；
验证时钟的 parent 是否启用，是否存在 gating 问题。

以上即为 Day 27 下篇全部内容，完整讲解了 CCF 架构设计与实际使用方式。
下一日我们将正式进入子系统与电源管理集成的驱动开发专题。

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