Linux RTC 驱动实验

Posted 2021-12-11 行稳方能走远

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• Linux 内核RTC 驱动简介
• I.MX6U 内部RTC 驱动分析
• RTC 时间查看与设置

RTC 也就是实时时钟，用于记录当前系统时间，对于Linux 系统而言时间是非常重要的，就和我们使用Windows 电脑或手机查看时间一样，我们在使用Linux 设备的时候也需要查看时间。本章我们就来学习一下如何编写Linux 下的RTC 驱动程序。

Linux 内核RTC 驱动简介

RTC 设备驱动是一个标准的字符设备驱动，应用程序通过open、release、read、write 和ioctl等函数完成对RTC 设备的操作，关于RTC 硬件原理部分我们已经在裸机篇中的第二十五章进行了详细的讲解。

Linux 内核将RTC 设备抽象为rtc_device 结构体，因此RTC 设备驱动就是申请并初始化rtc_device，最后将rtc_device 注册到Linux 内核里面，这样Linux 内核就有一个RTC 设备的。
至于RTC 设备的操作肯定是用一个操作集合(结构体)来表示的，我们先来看一下rtc_device 结构体，此结构体定义在include/linux/rtc.h 文件中，结构体内容如下(删除条件编译)：

104 struct rtc_device
105 {
106 struct device dev; /* 设备*/
107 struct module *owner;
108
109 int id; /* ID */
110 char name[RTC_DEVICE_NAME_SIZE]; /* 名字*/
111
112 const struct rtc_class_ops *ops; /* RTC设备底层操作函数*/
113 struct mutex ops_lock;
114
115 struct cdev char_dev; /* 字符设备*/
116 unsigned long flags;
117
118 unsigned long irq_data;
119 spinlock_t irq_lock;
120 wait_queue_head_t irq_queue;
121 struct fasync_struct *async_queue;
122
123 struct rtc_task *irq_task;
124 spinlock_t irq_task_lock;
125 int irq_freq;
126 int max_user_freq;
127
128 struct timerqueue_head timerqueue;
129 struct rtc_timer aie_timer;
130 struct rtc_timer uie_rtctimer;
131 struct hrtimer pie_timer; /* sub second exp, so needs hrtimer */
132 int pie_enabled;
133 struct work_struct irqwork;
134 /* Some hardware can't support UIE mode */
135 int uie_unsupported;
......
147 };

我们需要重点关注的是ops 成员变量，这是一个rtc_class_ops 类型的指针变量，rtc_class_ops为RTC 设备的最底层操作函数集合，包括从RTC 设备中读取时间、向RTC 设备写入新的时间值等。因此，rtc_class_ops 是需要用户根据所使用的RTC 设备编写的，此结构体定义在include/linux/rtc.h 文件中，内容如下：

71 struct rtc_class_ops {
72 int (*open)(struct device *);
73 void (*release)(struct device *);
74 int (*ioctl)(struct device *, unsigned int, unsigned long);
75 int (*read_time)(struct device *, struct rtc_time *);
76 int (*set_time)(struct device *, struct rtc_time *);
77 int (*read_alarm)(struct device *, struct rtc_wkalrm *);
78 int (*set_alarm)(struct device *, struct rtc_wkalrm *);
79 int (*proc)(struct device *, struct seq_file *);
80 int (*set_mmss64)(struct device *, time64_t secs);
81 int (*set_mmss)(struct device *, unsigned long secs);
82 int (*read_callback)(struct device *, int data);
83 int (*alarm_irq_enable)(struct device *, unsigned int enabled);
84 };

看名字就知道rtc_class_ops 操作集合中的这些函数是做什么的了，但是我们要注意，rtc_class_ops 中的这些函数只是最底层的RTC 设备操作函数，并不是提供给应用层的file_operations 函数操作集。RTC 是个字符设备，那么肯定有字符设备的file_operations 函数操作集，Linux 内核提供了一个RTC 通用字符设备驱动文件，文件名为drivers/rtc/rtc-dev.c，rtc-dev.c 文件提供了所有RTC 设备共用的file_operations 函数操作集，如下所示：

448 static const struct file_operations rtc_dev_fops = {
449 .owner = THIS_MODULE,
450 .llseek = no_llseek,
451 .read = rtc_dev_read,
452 .poll = rtc_dev_poll,
453 .unlocked_ioctl = rtc_dev_ioctl,
454 .open = rtc_dev_open,
455 .release = rtc_dev_release,
456 .fasync = rtc_dev_fasync,
457 };

看到示例代码60.1.3 是不是很熟悉了，标准的字符设备操作集。应用程序可以通过ioctl 函数来设置/读取时间、设置/读取闹钟的操作，那么对应的rtc_dev_ioctl 函数就会执行，rtc_dev_ioctl 最终会通过操作rtc_class_ops 中的read_time、set_time 等函数来对具体RTC 设备的读写操作。我们简单来看一下rtc_dev_ioctl 函数，函数内容如下(有省略)：

218 static long rtc_dev_ioctl(struct file *file,
219 unsigned int cmd, unsigned long arg)
220 {
221 int err = 0;
222 struct rtc_device *rtc = file->private_data;
223 const struct rtc_class_ops *ops = rtc->ops;
224 struct rtc_time tm;
225 struct rtc_wkalrm alarm;
226 void __user *uarg = (void __user *) arg;
227
228 err = mutex_lock_interruptible(&rtc->ops_lock);
229 if (err)
230 return err;
......
269 switch (cmd) {
......
333 case RTC_RD_TIME: /* 读取时间*/
334 mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
335
336 err = rtc_read_time(rtc, &tm);
337 if (err < 0)
338 return err;
339
340 if (copy_to_user(uarg, &tm, sizeof(tm)))
341 err = -EFAULT;
342 return err;
343
344 case RTC_SET_TIME: /* 设置时间*/
345 mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
346
347 if (copy_from_user(&tm, uarg, sizeof(tm)))
348 return -EFAULT;
349
350 return rtc_set_time(rtc, &tm);
......
401 default:
402 /* Finally try the driver's ioctl interface */
403 if (ops->ioctl) {
404 err = ops->ioctl(rtc->dev.parent, cmd, arg);
405 if (err == -ENOIOCTLCMD)
406 err = -ENOTTY;
407 } else
408 err = -ENOTTY;
409 break;
410 }
411
412 done:
413 mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
414 return err;
415 }

第333 行，RTC_RD_TIME 为时间读取命令。
第336 行，如果是读取时间命令的话就调用rtc_read_time 函数获取当前RTC 时钟，rtc_read_time 函数，rtc_read_time 会调用__rtc_read_time 函数，__rtc_read_time 函数内容如下：

23 static int __rtc_read_time(struct rtc_device *rtc,
struct rtc_time *tm)
24 {
25 int err;
26 if (!rtc->ops)
27 err = -ENODEV;
28 else if (!rtc->ops->read_time)
29 err = -EINVAL;
30 else {
31 memset(tm, 0, sizeof(struct rtc_time));
32 err = rtc->ops->read_time(rtc->dev.parent, tm);
33 if (err < 0) {
34 dev_dbg(&rtc->dev, "read_time: fail to read: %d\\n",
35 err);
36 return err;
37 }
38
39 err = rtc_valid_tm(tm);
40 if (err < 0)
41 dev_dbg(&rtc->dev, "read_time: rtc_time isn't valid\\n");
42 }
43 return err;
44 }

从示例代码60.1.5 中的32 行可以看出，__rtc_read_time 函数会通过调用rtc_class_ops 中的read_time 来从RTC 设备中获取当前时间。rtc_dev_ioctl 函数对其他的命令处理都是类似的，比如RTC_ALM_READ 命令会通过rtc_read_alarm 函数获取到闹钟值，而rtc_read_alarm 函数经过层层调用，最终会调用rtc_class_ops 中的read_alarm 函数来获取闹钟值。

至此，Linux 内核中RTC 驱动调用流程就很清晰了，如图60.1.1 所示：

当rtc_class_ops 准备好以后需要将其注册到Linux 内核中，这里我们可以使用rtc_device_register 函数完成注册工作。此函数会申请一个rtc_device 并且初始化这个rtc_device，最后向调用者返回这个rtc_device，此函数原型如下：

struct rtc_device *rtc_device_register(const char *name,
struct device *dev,
const struct rtc_class_ops *ops,
struct module *owner)

函数参数和返回值含义如下：
name：设备名字。
dev：设备。
ops：RTC 底层驱动函数集。
owner：驱动模块拥有者。
返回值：注册成功的话就返回rtc_device，错误的话会返回一个负值。
当卸载RTC 驱动的时候需要调用rtc_device_unregister 函数来注销注册的rtc_device，函数原型如下：

void rtc_device_unregister(struct rtc_device *rtc)

函数参数和返回值含义如下：
rtc：要删除的rtc_device。
返回值：无。
还有另外一对rtc_device 注册函数devm_rtc_device_register 和devm_rtc_device_unregister，分别为注册和注销rtc_device。

I.MX6U 内部RTC 驱动分析

先直接告诉大家，I.MX6U 的RTC 驱动我们不用自己编写，因为NXP 已经写好了。其实对于大多数的SOC 来讲，内部RTC 驱动都不需要我们去编写，半导体厂商会编写好。但是这不代表我们就偷懒了，虽然不用编写RTC 驱动，但是我们得看一下这些原厂是怎么编写RTC 驱动的。

分析驱动，先从设备树入手，打开imx6ull.dtsi，在里面找到如下snvs_rtc 设备节点，节点内容如下所示：

1 snvs_rtc: snvs-rtc-lp {
2 compatible = "fsl,sec-v4.0-mon-rtc-lp";
3 regmap = <&snvs>;
4 offset = <0x34>;
5 interrupts = <GIC_SPI 19 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>, <GIC_SPI 20
IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
6 };

第2 行设置兼容属性compatible 的值为“fsl,sec-v4.0-mon-rtc-lp”，因此在Linux 内核源码中搜索此字符串即可找到对应的驱动文件，此文件为drivers/rtc/rtc-snvs.c，在rtc-snvs.c 文件中找到如下所示内容：

380 static const struct of_device_id snvs_dt_ids[] = {
381 { .compatible = "fsl,sec-v4.0-mon-rtc-lp", },
382 { /* sentinel */ }
383 };
384 MODULE_DEVICE_TABLE(of, snvs_dt_ids);
385
386 static struct platform_driver snvs_rtc_driver = {
387 .driver = {
388 .name = "snvs_rtc",
389 .pm = SNVS_RTC_PM_OPS,
390 .of_match_table = snvs_dt_ids,
391 },
392 .probe = snvs_rtc_probe,
393 };
394 module_platform_driver(snvs_rtc_driver);

第380~383 行，设备树ID 表，有一条compatible 属性，值为“fsl,sec-v4.0-mon-rtc-lp”，因此imx6ull.dtsi 中的snvs_rtc 设备节点会和此驱动匹配。
第386~393 行，标准的platform 驱动框架，当设备和驱动匹配成功以后snvs_rtc_probe 函数就会执行。我们来看一下snvs_rtc_probe 函数，函数内容如下(有省略)：

238 static int snvs_rtc_probe(struct platform_device *pdev)
239 {
240 struct snvs_rtc_data *data;
241 struct resource *res;
242 int ret;
243 void __iomem *mmio;
244
245 data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*data), GFP_KERNEL);
246 if (!data)
247 return -ENOMEM;
248
249 data->regmap =
syscon_regmap_lookup_by_phandle(pdev->dev.of_node, "regmap");
250
251 if (IS_ERR(data->regmap)) {
252 dev_warn(&pdev->dev, "snvs rtc: you use old dts file,

第253 行，调用platform_get_resource 函数从设备树中获取到RTC 外设寄存器基地址。
第255 行，调用函数devm_ioremap_resource 完成内存映射，得到RTC 外设寄存器物理基地址对应的虚拟地址。
第259 行，Linux3.1 引入了一个全新的regmap 机制，regmap 用于提供一套方便的API 函数去操作底层硬件寄存器，以提高代码的可重用性。snvs-rtc.c 文件会采用regmap 机制来读写RTC 底层硬件寄存器。这里使用devm_regmap_init_mmio 函数将RTC 的硬件寄存器转化为regmap 形式，这样regmap 机制的regmap_write、regmap_read 等API 函数才能操作寄存器。
第270 行，从设备树中获取RTC 的中断号。
第289 行，设置RTC_ LPPGDR 寄存器值为SNVS_LPPGDR_INIT= 0x41736166，这里就是用的regmap 机制的regmap_write 函数完成对寄存器进行写操作。
第292 行，设置RTC_LPSR 寄存器，写入0xffffffff，LPSR 是RTC 状态寄存器，写1 清零，因此这一步就是清除LPSR 寄存器。
第295 行，调用snvs_rtc_enable 函数使能RTC，此函数会设置RTC_LPCR 寄存器。
第299 行，调用devm_request_irq 函数请求RTC 中断，中断服务函数为snvs_rtc_irq_handler，用于RTC 闹钟中断。
第307 行，调用devm_rtc_device_register 函数向系统注册rtc_devcie，RTC 底层驱动集为snvs_rtc_ops。snvs_rtc_ops操作集包含了读取/设置RTC 时间，读取/设置闹钟等函数。snvs_rtc_ops内容如下：

200 static const struct rtc_class_ops snvs_rtc_ops = {
201 .read_time = snvs_rtc_read_time,
202 .set_time = snvs_rtc_set_time,
203 .read_alarm = snvs_rtc_read_alarm,
204 .set_alarm = snvs_rtc_set_alarm,
205 .alarm_irq_enable = snvs_rtc_alarm_irq_enable,
206 };

我们就以第201 行的snvs_rtc_read_time 函数为例讲解一下rtc_class_ops 的各个RTC 底层操作函数该如何去编写。snvs_rtc_read_time 函数用于读取RTC 时间值，此函数内容如下所示：

126 static int snvs_rtc_read_time(struct device *dev,
struct rtc_time *tm)
127 {
128 struct snvs_rtc_data *data = dev_get_drvdata(dev);
129 unsigned long time = rtc_read_lp_counter(data);
130
131 rtc_time_to_tm(time, tm);
132
133 return 0;
134 }

第129 行，调用rtc_read_lp_counter 获取RTC 计数值，这个时间值是秒数。
第131 行，调用rtc_time_to_tm 函数将获取到的秒数转换为时间值，也就是rtc_time 结构体类型，rtc_time 结构体定义如下：

20 struct rtc_time {
21 int tm_sec;
22 int tm_min;
23 int tm_hour;
24 int tm_mday;
25 int tm_mon;
26 int tm_year;
27 int tm_wday;
28 int tm_yday;
29 int tm_isdst;
30 };

最后我们来看一下rtc_read_lp_counter 函数，此函数用于读取RTC 计数值，函数内容如下(有省略)：

50 static u32 rtc_read_lp_counter(struct snvs_rtc_data *data)
51 {
52 u64 read1, read2;
53 u32 val;
54
55 do {
56 regmap_read(data->regmap, data->offset + SNVS_LPSRTCMR,
&val);
57 read1 = val;
58 read1 <<= 32;
59 regmap_read(data->regmap, data->offset + SNVS_LPSRTCLR,
&val);
60 read1 |= val;
61
62 regmap_read(data->regmap, data->offset + SNVS_LPSRTCMR,
&val);
63 read2 = val;
64 read2 <<= 32;
65 regmap_read(data->regmap, data->offset + SNVS_LPSRTCLR,
&val);
66 read2 |= val;
67 /*
68 * when CPU/BUS are running at low speed, there is chance that
69 * we never get same value during two consecutive read, so here
70 * we only compare the second value.
71 */
72 } while ((read1 >> CNTR_TO_SECS_SH) != (read2 >>
CNTR_TO_SECS_SH));
73
74 /* Convert 47-bit counter to 32-bit raw second count */
75 return (u32) (read1 >> CNTR_TO_SECS_SH);
76 }

第56~72 行，读取RTC_LPSRTCMR 和RTC_LPSRTCLR 这两个寄存器，得到RTC 的计数值，单位为秒，这个秒数就是当前时间。这里读取了两次RTC 计数值，因为要读取两个寄存器，因此可能存在读取第二个寄存器的时候时间数据更新了，导致时间不匹配，因此这里连续读两次，如果两次的时间值相等那么就表示时间数据有效。

第75 行，返回时间值，注意这里将前面读取到的RTC 计数值右移了15 位。

这个就是snvs_rtc_read_time 函数读取RTC 时间值的过程，至于其他的底层操作函数大家自行分析即可，都是大同小异的，这里就不再分析了。关于I.MX6U 内部RTC 驱动源码就讲解到这里。

RTC 时间查看与设置

1、时间RTC 查看
RTC 是用来计时的，因此最基本的就是查看时间，Linux 内核启动的时候可以看到系统时钟设置信息，如图60.3.1 所示：

从图60.3.1 中可以看出，Linux 内核在启动的时候将snvs_rtc 设置为rtc0，大家的启动信息可能会和图60.3.1 中的不同，但是内容基本上都是一样的。

如果要查看时间的话输入“date”命令即可，结果如图60.3.2 所示：

从图60.3.2 可以看出，当前时间为1970 年1 月1 日00:06:11，很明显是时间不对，我们需要重新设置RTC 时间。

2、设置RTC 时间
RTC 时间设置也是使用的date 命令，输入“date --help”命令即可查看date 命令如何设置系统时间，结果如图60.3.3 所示

现在我要设置当前时间为2019 年8 月31 日18:13:00，因此输入如下命令：

date -s "2019-08-31 18:13:00"

设置完成以后再次使用date 命令查看一下当前时间就会发现时间改过来了，如图60.3.4 所示：

大家注意我们使用“date -s”命令仅仅是将当前系统时间设置了，此时间还没有写入到I.MX6U 内部RTC 里面或其他的RTC 芯片里面，因此系统重启以后时间又会丢失。我们需要将当前的时间写入到RTC 里面，这里要用到hwclock 命令，输入如下命令将系统时间写入到RTC里面：

hwclock -w //将当前系统时间写入到RTC 里面

时间写入到RTC 里面以后就不怕系统重启以后时间丢失了，如果I.MX6U-ALPHA 开发板底板接了纽扣电池，那么开发板即使断电了时间也不会丢失。大家可以尝试一下不断电重启和断电重启这两种情况下开发板时间会不会丢失。