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

节。

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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。

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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。

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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)  |
                            +---------------------+

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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;
};

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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：

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

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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 = ;
    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。

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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。

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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";
};

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

视频教程请关注 B 站：“嵌入式 Jerry”