正点原子嵌入式linux驱动开发——Linux RTC驱动

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，就和使用Windows电脑或手机查看时间一样，在使用Linux设备的时候也需要查看时间。本章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，本章主要学习如何使用STM32MP1内部自带的 RTC外设。

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，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)：

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：

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/dev.c 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：

示例代码43.1.3，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，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。简单来看一下rtc_dev_ioctl函数，函数内容如下(有省略)：

示例代码 43.1.4 rtc_dev_ioctl 函数代码段
202 static long rtc_dev_ioctl (struct file *file,
203                            unsigned int cmd, unsigned long arg)
204 {
205     int err = 0;
206     struct rtc_device *rtc = file->private_data;
207     const struct rtc_class_ops *ops = rtc->ops;
208     struct rtc_time tm;
209     struct rtc_wkalrm alarm;
210     void __user *uarg = (void __user *)arg;
211
212     err = mutex_lock_interruptible(&rtc ops_lock);
213     if (err)
214         return err;
......
253     switch (cmd) {
......
317     case RTC_RD_TIME: /* 读取时间 */
318         mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
319
320         err = rtc_read_time(rtc, &tm);
321         if (err < 0)
322             return err
323
324         if (copy_to_user(uarg, &tm, sizeof(tm)))
325             err = -EFAULT;
326         return err;
327
328     case RTC_SET_TIME: /* 设置时间 */
329         mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
330
331         if(copy_from_user(&tm, uarg, sizeof(tm)))
332             return -EFAULT;
333
334         return rtc_set_time(rtc, &tm);
......
385     default:
386         /* Finally try the driver's ioctl interface */
387         if (ops->ioctl) {
388             err = ops->ioctl(rtc->dev.parent, cmd, arg);
389             if (err == -ENOIOCTLCMD)
390                 err = -ENOTTY;
391         } else {
392             err = -ENOTTY;
393         }
394         break;
395     }
396
397 done:
398     mutex_unlock(&rtc->ops_lock);
399     return err;
400 }

第317行，RTC_RD_TIME为时间读取命令。

第320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会调用__rtc_read_time函数，__rtc_read_time函数内容如下：

从第94行可以看出，__rtc_read_time函数会通过调用rtc_class_ops中的read_time成员变量来从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，如下图所示：

当rtc_class_ops准备好以后需要将其注册到Linux内核中，这里可以使用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。

STM32MP1内部RTC驱动分析

STM32MP1的RTC驱动不用自己编写，因为ST已经写好了。其实对于大多数的SOC来讲，内部RTC驱动都不需要自己去编写，半导体厂商会编写好。分析驱动，先从设备树入手，打开stm32mp151.dtsi，在里面找到如下rtc设备节点，节点内容如下所示：

第1747行设置兼容属性compatible的值为“st,stm32mp1-rtc”，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-stm32.c，在rtc-stm32.c文件中找到如下所示内容：

第719-723行，设备树ID表。第722行，刚好有一个compatible属性和设备树的rtc的
compatible属性值一样，所以rtc设备节点会和此驱动匹配。

第1020-1028行，标准的platform驱动框架，当设备和驱动匹配成功以后stm32_rtc_probe函数就会执行，来看一下stm32_rtc_probe函数，函数内容如下(有省略)：

示例代码 43.2.3 stm32_rtc_probe 函数代码段
789 static int stm32_rtc_probe(struct platform_device *pdev)
790 {
791     struct stm32_rtc *rtc;
792     const struct stm32_rtc_registers *regs;
793     struct resource *res;
794     int ret;
795
796     rtc = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*rtc), GFP_KERNEL);
797     if(!rtc)
798         return -ENOMEM;
799
800     res = platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, 0);
801     rtc->base = devm_ioremap_resource(&pdev->dev, res);
......
856     ret = clk_prepare_enable(rtc->rtc_ck);
857     if (ret)
858         goto err;
......
872     ret = stm32_rtc_init(pdev, rtc);
873     if(ret)
874         goto err;
875
876     rtc->irq_alarm = platform_get_irq(pdev, 0);
877     if(rtc->irq_alarm <= 0) {
878         ret = rtc->irq_alarm;
879         goto err;
880     }
......
892     rtc->rtc_dev = devm_rtc_device_register(&pdev->dev, pdev->name,
893                     &stm32_rtc_ops, THIS_MODULE);
894     if(IS_ERR(rtc->rtc_dev)) {
895         ret = PTR_ERR(rtc->rtc_dev);
896         dev_err(&pdev->dev, "rtc device registration failed, err=%d\n",
897             ret);
898         goto err;
899     }
900
901     /* Handle RTC alarm interrupts */
902     ret = devm_request_threaded_irq(&pdev->dev, rtc->irq_alarm, NULL,
903                     stm32_rtc_alarm_irq, IRQF_ONESHOT,
904                     pdev->name, rtc);
905     if(ret) {
906         dev_err(&pdev->dev, "IRQ%d (alarm interrupt) already
claimed\n",
907             rtc->irq_alarm);
908         goto err;
909     }
......
940
941     return 0;
......
954 }

第796行，调用devm_kzalloc申请rtc大小的空间，返回申请空间的首地址。

第800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801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856行，调用clk_prepare_enable函数使能时钟。

第872行，初始化STM32MP1 rtc的寄存器。

第876行，获取设备树的中断号。

第892行，调用devm_rtc_device_register函数向系统注册rtc_devcie，RTC底层驱动集为stm32_rtc_ops。stm32_rtc_ops操作集包含了读取/设置RTC时间，读取/设置闹钟等函数。

第902行，调用devm_request_threaded_irq函数请求RTC中断，中断服务函数为stm32_rtc_alarm_irq，用于RTC闹钟中断。

stm32_rtc_ops内容如下所示：

就以第624行的stm32_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。stm32_rtc_read_time函数用于读取RTC时间值，此函数内容如下所示：

第371-372行，调用readl_relaxed读取STM32MP1的RTC_TR和RTC_DR这两个寄存器的值，其中TR寄存器为RTC时间寄存器，保存着时、分、秒信息；DR为RTC的日期寄存器，保存着年、月、日信息。通过这两个寄存器就可以得到RTC时间。

第374-381行，前两行获取到了TR和DR这两个寄存器的值，这里需要从这两个寄存器值中提取出具体的年、月、日和时、分、秒信息。

第385行，上面得到的时间信息为BCD格式的，这里通过bcd2tm函数将BCD格式转换
为rtc_time格式，rtc_time结构体定义如下：

RTC时间查看与设置

使能内部RTC

在Linux内核移植的时候，设备树是经过精简的，没有启动RTC功能。打开stm32mp157d-atk.dts文件，添加如下代码：

示例代码43.3.1.1 rtc节点信息 
1 &rtc { 
2     status = "okay"; 
3 };

追加的RTC节点内容很简单，就是把status属性改为“okay”。接着重新编译设备树然后使用新编译的stm32mp157d-atk.dtb文件启动开发板。

查看时间

RTC是用来记时的，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，如下图所示：

从上图中可以看出，Linux内核在启动的时候将rtc设置为rtc0，大家的启动信息可能会和上图中不同，但是基本上都是一样的。

如果要查看时间的话输入“date”命令即可，结果如下图所示：

从上图可以看出，当前时间为2000年1月1日03:30:29，很明显时间不对，需要重新设置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，结果如下图所示：

比如现在设置当前时间为2021年5月2日18:53:00，因此输入如下命令：

date -s "2021-05-02 18:53:00"

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。

注意使用“date -s”命令仅仅是修改了当前时间，此时间还没有写入到STM32MP1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。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STM32MP1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。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。

总结

这一章节比较简单，因为Linux内核已经实现了RTC的驱动，对我们来说我只要会用“date”命令和“hwclock”命令去修改使用RTC就可以了。