Documentation/driver-api/clk.rst

   1 ========================
   2 The Common Clk Framework
   3 ========================
   4
   5 :Author: Mike Turquette <mturquette@ti.com>
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   7 This document endeavours to explain the common clk framework details,
   8 and how to port a platform over to this framework.  It is not yet a
   9 detailed explanation of the clock api in include/linux/clk.h, but
  10 perhaps someday it will include that information.
  11
  12 Introduction and interface split
  13 ================================
  14
  15 The common clk framework is an interface to control the clock nodes
  16 available on various devices today.  This may come in the form of clock
  17 gating, rate adjustment, muxing or other operations.  This framework is
  18 enabled with the CONFIG_COMMON_CLK option.
  19
  20 The interface itself is divided into two halves, each shielded from the
  21 details of its counterpart.  First is the common definition of struct
  22 clk which unifies the framework-level accounting and infrastructure that
  23 has traditionally been duplicated across a variety of platforms.  Second
  24 is a common implementation of the clk.h api, defined in
  25 drivers/clk/clk.c.  Finally there is struct clk_ops, whose operations
  26 are invoked by the clk api implementation.
  27
  28 The second half of the interface is comprised of the hardware-specific
  29 callbacks registered with struct clk_ops and the corresponding
  30 hardware-specific structures needed to model a particular clock.  For
  31 the remainder of this document any reference to a callback in struct
  32 clk_ops, such as .enable or .set_rate, implies the hardware-specific
  33 implementation of that code.  Likewise, references to struct clk_foo
  34 serve as a convenient shorthand for the implementation of the
  35 hardware-specific bits for the hypothetical "foo" hardware.
  36
  37 Tying the two halves of this interface together is struct clk_hw, which
  38 is defined in struct clk_foo and pointed to within struct clk_core.  This
  39 allows for easy navigation between the two discrete halves of the common
  40 clock interface.
  41
  42 Common data structures and api
  43 ==============================
  44
  45 Below is the common struct clk_core definition from
  46 drivers/clk/clk.c, modified for brevity::
  47
  48         struct clk_core {
  49                 const char              *name;
  50                 const struct clk_ops    *ops;
  51                 struct clk_hw           *hw;
  52                 struct module           *owner;
  53                 struct clk_core         *parent;
  54                 const char              **parent_names;
  55                 struct clk_core         **parents;
  56                 u8                      num_parents;
  57                 u8                      new_parent_index;
  58                 ...
  59         };
  60
  61 The members above make up the core of the clk tree topology.  The clk
  62 api itself defines several driver-facing functions which operate on
  63 struct clk.  That api is documented in include/linux/clk.h.
  64
  65 Platforms and devices utilizing the common struct clk_core use the struct
  66 clk_ops pointer in struct clk_core to perform the hardware-specific parts of
  67 the operations defined in clk-provider.h::
  68
  69         struct clk_ops {
  70                 int             (*prepare)(struct clk_hw *hw);
  71                 void            (*unprepare)(struct clk_hw *hw);
  72                 int             (*is_prepared)(struct clk_hw *hw);
  73                 void            (*unprepare_unused)(struct clk_hw *hw);
  74                 int             (*enable)(struct clk_hw *hw);
  75                 void            (*disable)(struct clk_hw *hw);
  76                 int             (*is_enabled)(struct clk_hw *hw);
  77                 void            (*disable_unused)(struct clk_hw *hw);
  78                 unsigned long   (*recalc_rate)(struct clk_hw *hw,
  79                                                 unsigned long parent_rate);
  80                 long            (*round_rate)(struct clk_hw *hw,
  81                                                 unsigned long rate,
  82                                                 unsigned long *parent_rate);
  83                 int             (*determine_rate)(struct clk_hw *hw,
  84                                                   struct clk_rate_request *req);
  85                 int             (*set_parent)(struct clk_hw *hw, u8 index);
  86                 u8              (*get_parent)(struct clk_hw *hw);
  87                 int             (*set_rate)(struct clk_hw *hw,
  88                                             unsigned long rate,
  89                                             unsigned long parent_rate);
  90                 int             (*set_rate_and_parent)(struct clk_hw *hw,
  91                                             unsigned long rate,
  92                                             unsigned long parent_rate,
  93                                             u8 index);
  94                 unsigned long   (*recalc_accuracy)(struct clk_hw *hw,
  95                                                 unsigned long parent_accuracy);
  96                 int             (*get_phase)(struct clk_hw *hw);
  97                 int             (*set_phase)(struct clk_hw *hw, int degrees);
  98                 void            (*init)(struct clk_hw *hw);
  99                 void            (*debug_init)(struct clk_hw *hw,
 100                                               struct dentry *dentry);
 101         };
 102
 103 Hardware clk implementations
 104 ============================
 105
 106 The strength of the common struct clk_core comes from its .ops and .hw pointers
 107 which abstract the details of struct clk from the hardware-specific bits, and
 108 vice versa.  To illustrate consider the simple gateable clk implementation in
 109 drivers/clk/clk-gate.c::
 110
 111         struct clk_gate {
 112                 struct clk_hw   hw;
 113                 void __iomem    *reg;
 114                 u8              bit_idx;
 115                 ...
 116         };
 117
 118 struct clk_gate contains struct clk_hw hw as well as hardware-specific
 119 knowledge about which register and bit controls this clk's gating.
 120 Nothing about clock topology or accounting, such as enable_count or
 121 notifier_count, is needed here.  That is all handled by the common
 122 framework code and struct clk_core.
 123
 124 Let's walk through enabling this clk from driver code::
 125
 126         struct clk *clk;
 127         clk = clk_get(NULL, "my_gateable_clk");
 128
 129         clk_prepare(clk);
 130         clk_enable(clk);
 131
 132 The call graph for clk_enable is very simple::
 133
 134         clk_enable(clk);
 135                 clk->ops->enable(clk->hw);
 136                 [resolves to...]
 137                         clk_gate_enable(hw);
 138                         [resolves struct clk gate with to_clk_gate(hw)]
 139                                 clk_gate_set_bit(gate);
 140
 141 And the definition of clk_gate_set_bit::
 142
 143         static void clk_gate_set_bit(struct clk_gate *gate)
 144         {
 145                 u32 reg;
 146
 147                 reg = __raw_readl(gate->reg);
 148                 reg |= BIT(gate->bit_idx);
 149                 writel(reg, gate->reg);
 150         }
 151
 152 Note that to_clk_gate is defined as::
 153
 154         #define to_clk_gate(_hw) container_of(_hw, struct clk_gate, hw)
 155
 156 This pattern of abstraction is used for every clock hardware
 157 representation.
 158
 159 Supporting your own clk hardware
 160 ================================
 161
 162 When implementing support for a new type of clock it is only necessary to
 163 include the following header::
 164
 165         #include <linux/clk-provider.h>
 166
 167 To construct a clk hardware structure for your platform you must define
 168 the following::
 169
 170         struct clk_foo {
 171                 struct clk_hw hw;
 172                 ... hardware specific data goes here ...
 173         };
 174
 175 To take advantage of your data you'll need to support valid operations
 176 for your clk::
 177
 178         struct clk_ops clk_foo_ops = {
 179                 .enable         = &clk_foo_enable,
 180                 .disable        = &clk_foo_disable,
 181         };
 182
 183 Implement the above functions using container_of::
 184
 185         #define to_clk_foo(_hw) container_of(_hw, struct clk_foo, hw)
 186
 187         int clk_foo_enable(struct clk_hw *hw)
 188         {
 189                 struct clk_foo *foo;
 190
 191                 foo = to_clk_foo(hw);
 192
 193                 ... perform magic on foo ...
 194
 195                 return 0;
 196         };
 197
 198 Below is a matrix detailing which clk_ops are mandatory based upon the
 199 hardware capabilities of that clock.  A cell marked as "y" means
 200 mandatory, a cell marked as "n" implies that either including that
 201 callback is invalid or otherwise unnecessary.  Empty cells are either
 202 optional or must be evaluated on a case-by-case basis.
 203
 204 .. table:: clock hardware characteristics
 205
 206    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 207    |                | gate | change rate | single parent | multiplexer | root |
 208    +================+======+=============+===============+=============+======+
 209    |.prepare        |      |             |               |             |      |
 210    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 211    |.unprepare      |      |             |               |             |      |
 212    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 213    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 214    |.enable         | y    |             |               |             |      |
 215    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 216    |.disable        | y    |             |               |             |      |
 217    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 218    |.is_enabled     | y    |             |               |             |      |
 219    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 220    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 221    |.recalc_rate    |      | y           |               |             |      |
 222    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 223    |.round_rate     |      | y [1]_      |               |             |      |
 224    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 225    |.determine_rate |      | y [1]_      |               |             |      |
 226    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 227    |.set_rate       |      | y           |               |             |      |
 228    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 229    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 230    |.set_parent     |      |             | n             | y           | n    |
 231    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 232    |.get_parent     |      |             | n             | y           | n    |
 233    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 234    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 235    |.recalc_accuracy|      |             |               |             |      |
 236    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 237    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 238    |.init           |      |             |               |             |      |
 239    +----------------+------+-------------+---------------+-------------+------+
 240
 241 .. [1] either one of round_rate or determine_rate is required.
 242
 243 Finally, register your clock at run-time with a hardware-specific
 244 registration function.  This function simply populates struct clk_foo's
 245 data and then passes the common struct clk parameters to the framework
 246 with a call to::
 247
 248         clk_register(...)
 249
 250 See the basic clock types in ``drivers/clk/clk-*.c`` for examples.
 251
 252 Disabling clock gating of unused clocks
 253 =======================================
 254
 255 Sometimes during development it can be useful to be able to bypass the
 256 default disabling of unused clocks. For example, if drivers aren't enabling
 257 clocks properly but rely on them being on from the bootloader, bypassing
 258 the disabling means that the driver will remain functional while the issues
 259 are sorted out.
 260
 261 To bypass this disabling, include "clk_ignore_unused" in the bootargs to the
 262 kernel.
 263
 264 Locking
 265 =======
 266
 267 The common clock framework uses two global locks, the prepare lock and the
 268 enable lock.
 269
 270 The enable lock is a spinlock and is held across calls to the .enable,
 271 .disable operations. Those operations are thus not allowed to sleep,
 272 and calls to the clk_enable(), clk_disable() API functions are allowed in
 273 atomic context.
 274
 275 For clk_is_enabled() API, it is also designed to be allowed to be used in
 276 atomic context. However, it doesn't really make any sense to hold the enable
 277 lock in core, unless you want to do something else with the information of
 278 the enable state with that lock held. Otherwise, seeing if a clk is enabled is
 279 a one-shot read of the enabled state, which could just as easily change after
 280 the function returns because the lock is released. Thus the user of this API
 281 needs to handle synchronizing the read of the state with whatever they're
 282 using it for to make sure that the enable state doesn't change during that
 283 time.
 284
 285 The prepare lock is a mutex and is held across calls to all other operations.
 286 All those operations are allowed to sleep, and calls to the corresponding API
 287 functions are not allowed in atomic context.
 288
 289 This effectively divides operations in two groups from a locking perspective.
 290
 291 Drivers don't need to manually protect resources shared between the operations
 292 of one group, regardless of whether those resources are shared by multiple
 293 clocks or not. However, access to resources that are shared between operations
 294 of the two groups needs to be protected by the drivers. An example of such a
 295 resource would be a register that controls both the clock rate and the clock
 296 enable/disable state.
 297
 298 The clock framework is reentrant, in that a driver is allowed to call clock
 299 framework functions from within its implementation of clock operations. This
 300 can for instance cause a .set_rate operation of one clock being called from
 301 within the .set_rate operation of another clock. This case must be considered
 302 in the driver implementations, but the code flow is usually controlled by the
 303 driver in that case.
 304
 305 Note that locking must also be considered when code outside of the common
 306 clock framework needs to access resources used by the clock operations. This
 307 is considered out of scope of this document.