正点原子嵌入式linux驱动开发——外置RTC芯片PCF8563

上一章学习了STM32MP1内置RTC外设，了解了Linux系统下RTC驱动框架。一般的应用场合使用SOC内置的RTC就可以了，而且成本也低，但是在一些对于时间精度要求比较高的场合，SOC内置的RTC就不适用了。这个时候需要根据自己的应用要求选择合适的外置RTC芯片，正点原子STM32MP1开发板上板载了一个RTC芯片：PCF8563，这是一个IIC接口的外置RTC芯片，本章就来学习一 下如何驱动外置RTC芯片。

PCF8563简介

PCF8563简介

PCF8563是一个CMOS RTC芯片，支持时间和日历功能，支持可编程的时钟输出、中断输出以及低电压检测。PCF8563提供了两线IIC接口来传输时间信息，最大传输速度为400Kbit/S，在读写寄存器的时候地址自增，PCF8563相关特性如下：

1. 提供年、月、日、星期，时、分、秒计时，使用外置32.768Khz晶振。
2. 低后备电流：0.25uA，VDD=3.0V，温度25℃。
3. IIC接口，速度最高400KHz。
4. 可编程时钟输出，可以供其他设备使用，可输出的时钟频率有32.768kHz、1.024kHz、32Hz和1Hz。
5. 支持闹钟和定时功能。
6. IIC读地址为0XA3，写地址为0XA2，也就是IIC器件地址为：0X51。
7. 有一个开漏输出的中断引脚。

PCF8563框图如下图所示：

简单分析一下上图中的框图：

1. 这是PCF8563的32.768kHz晶振引脚，PCF8563必选要外接32.768kHz晶振。
2. 这是PCF8563的IIC引脚，PCF8563通过IIC接口与主控进行通信，因此PCF8563本质是个IIC器件。
3. 时钟输出引脚。
4. 中断引脚。
5. 前面说了，PCF8563是个IIC器件，因此内部就有很多寄存器来实现RTC功能，比如配置芯片，读取时间信息等。这部分就PCF8563的内部寄存器。

PCF8563寄存器详解

PCF8563有16个内部寄存器，这些寄存器都是8位的。前两个寄存器(0x00和0x01)为控
制/状态寄存器。0X02-0X08为时间和日期寄存器，这些寄存器保存着秒、分、时、日、星期、月和年信息。0X09-0X0C为闹钟寄存器，保存闹钟信息。0X0D为时钟输出频率寄存器，0X0E和0X0F这两个寄存器时钟控制寄存器。注意、时分秒、年月日、闹钟等时间信息为BCD格式。

接下来看一下这些寄存器如何使用：

控制状态寄存器1(0X00)

寄存器结构如下图所示：

上图是控制状态寄存器 1，相应的位含义如下：

• TEST1(bit7)：0，正常模式；1，测试模式。
• N(bit6,bit4,bit2-0)：未使用。
• STOP(bit5)：0，RTC时钟运行；1，RTC时钟停止。
• TESTC(bit3)：0，正常模式，关闭POR覆写；1，使能POR覆写。

控制状态寄存器2(0X01)

寄存器结构如下图所示：

上图是控制状态寄存器2，相应的位含义如下：

• N(bit7-5)：未使用。
• TI_TP(bit4)：为0的时候INT引脚取决于TF位，为1的时候INT引脚输出指定频率的脉冲。
• AF(bit3)：闹钟标志位，为1的话表示闹钟发生，写0清除，写1无效。
• TF(bit2)：定时器标志位，为1的话表示定时发生，写0清除，写1无效。
• AIE(bit1)：闹钟中断使能位0，关闭闹钟中断；1，使能闹钟中断。
• TIE(bit0)：定时器中断使能位0，关闭定时器中断；1，使能定时器中断。

时间和日期寄存器(0X02-0X08)

接下来看一下时间和日期相关寄存器，一共7个寄存器，结构如下图所示：

依次来看一下上图中的这些寄存器：

• 0X02：此寄存器为秒钟寄存器，PCF8563是有低电压检测的，当VDD电压低于最小允许电压的时候VL(bit)位就会置1，表示时钟异常，如果电压正常的话就为0。SECONDS(bit6-0)：这7位表示具体的秒数，范围0~59，为BCD格式。
• 0X03：此寄存器为分钟寄存器，MINUTES(bit6-0)这7位有效，表示具体的分钟数，范围0-59，为BCD格式。
• 0X04：此寄存器为小时寄存器，HOURS(bit5-0)这6位有效，表示具体的小时数，范围0-23，为BCD格式。
• 0X05：此寄存器为日期寄存器，DAYS(bit5-0)这6位有效，表示具体的小时数，范围1-31，为BCD格式。
• 0X06：此寄存器为星期寄存器，WEEKDAYS(bit2-0)这3位有效，表示具体的星期，范围0-6，为BCD格式。0为星期日， ，1为星期一，以此类推，6就是星期六。
• 0X07：此寄存器为月份寄存器，其中C(bit7)为世纪标志位，如果为1的话表示20xx年，为 0的话表示19xx年。MONTHS(bit4-0)这5位有效，表示具体的月份，范围1-12，分别为1-12月，为BCD格式。
• 0X08：此寄存器为年寄存器，YEARS(bit7-0)这8位有效，表示具体的年份，范围0-99。

闹钟寄存器(0X09-0X0C)

接下来看一下闹钟相关寄存器，一共4个寄存器，结构如下图所示：

依次来看一下上图中的这些寄存器：

• 0X09：此寄存器为闹钟分钟寄存器，AE_M(bit7)为分钟闹钟使能位，为0的话使能分钟闹钟，为1的话关闭。MINUTE_ALARM(bit6-0)这7位表示具体的闹钟分钟，范围0-59，为BCD格式。
• 0X0A：此寄存器为闹钟小时寄存器，含义和0X09寄存器类似。
• 0X0B：此寄存器为闹钟日期寄存器，含义和0X09寄存器类似。
• 0X0C：此寄存器为闹钟星期寄存器，含义和0X09寄存器类似。

另外还有时钟输出寄存(0X0D)以及定时器寄存器(0X0E和0X0F)，这里不用PFC8563的时钟输出和定时器功能，就不讲解了。

总体来说，PCF8563还是很简单的，这是一个IIC接口的RTC芯片，因此在Linux系统下
就涉及到两类驱动：

1. IIC驱动，需要IIC驱动框架来读写PCF8563芯片。
2. RTC驱动，因为这是一个RTC芯片，因此要用到RTC驱动框架。

如果要用到中断功能的话，还需要用到Linux系统中的中断子系统，这些前面都有相应的实验讲解。所以PCF8563的Linux驱动并不复杂，而且重点是Linux系统默认就已经集了PCF8563驱动，使用起来非常简单，直接修改设备树，添加PCF8563节点信息，然后使能内核的PCF8563驱动即可。

硬件原理图分析

PCF8563原理图如下图所示：

从上图可以看出，PCF8563连接到了STM32MP157的I2C4接口上，引脚为PZ5、 PZ4。另外， PCF8563的INT引脚连接到了STM32MP157的PI3引脚上。

实验驱动编写

修改设备树

添加/查找PCF8563使用IO的pinmux配置

PCF8563的IIC接口连接到了STM32MP157的I2C4上，对应的引脚为PZ4和PZ5。另外还有一个中断引脚PI3，首先需要在设备树中添加这3个引脚对应的配置信息。

首先添加PZ4和PZ5，打开stm32mp15-pincrtl.dtsi文件，查找一下有没有I2C4的引脚配置信息，默认是有的，内容如下：

示例代码44.3.1.1 i2c4引脚节点
1  i2c4_pins_a: i2c4-0 { 
2      pins { 
3          pinmux = <STM32_PINMUX('Z', 4, AF6)>, /* I2C4_SCL */ 
4                  <STM32_PINMUX('Z', 5, AF6)>; /* I2C4_SDA */ 
5          bias-disable; 
6          drive-open-drain; 
7          slew-rate = <0>; 
8      }; 
9  }; 
10 
11 i2c4_pins_sleep_a: i2c4-1 { 
12     pins { 
13         pinmux = <STM32_PINMUX('Z', 4, ANALOG)>, /* I2C4_SCL */ 
14                 <STM32_PINMUX('Z', 5, ANALOG)>; /* I2C4_SDA */ 
15     }; 
16 };

从第3、4行可以看出，I2C4默认引脚就是PZ4和PZ5，和本实验一样，所以I2C4的引脚不需要修改，直接使用i2c4_pins_a即可。接下来还需要定义中断引脚PI3的引脚信息，前面讲过了，如果一个引脚作为GPIO功能的话可以不用添加此引脚pinctrl信息。

在I2C4节点下添加pinmux并追加pcf8563子节点

前面说了Linux内核内部已经集成了PCF8563驱动，所以肯定有文档描述如何使用这个驱动。打开Documentation/devicetree/bindings/rtc/pcf8563.txt，此文档描述了如何使用Linux内核自带的pcf8563驱动，也给出了参考设备节点，参考此文档即可。

在stm32mp157d-atk.dts文件，追加I2C4节点，追加如下所示内容：

示例代码 44. 3.1.3 追加 pcf 8563 节点
1  &i2c4 { 
2      pinctrl-names = "default", "sleep"; 
3      pinctrl-0 = <&i2c4_pins_a>; 
4      pinctrl-1 = <&i2c4_pins_sleep_a>; 
5      status = "okay"; 
6 
7      pcf8563@51{ 
8          compatible = "nxp,pcf8563"; 
9          irq_gpio = <&gpioi 3 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING>; 
10          reg = <0x51>; 
11     }; 
12 };

第2-4行，设置IO要使用的pinmux配置。

第7-10行，pcf8563设备子节点，第8行设置compatible为“nxp,pcf8563”，这个是必须的，否则无法匹配Linux内核自带的pcf8563驱动。从第9行设置pcf8563中断引脚为PI3，下降沿触发。pcf8563的I2C地址为0X51，因此reg为0X51。

PCF8563驱动使能

上一个实验使能了STM32MP157内部RTC，为了防止干扰，所以要先关闭内部RTC！配置路径为：

-> Device Drivers -> Real Time Clock -> STM32 RTC //取消选中

如下图所示：

使能Linux内核自带的PCF8563驱动

接下来需要使能Linux内核自带的PCF8563驱动，配置路径如下：

-> Device Drivers -> Real Time Clock -> <*> Philips PCF8563/Epson RTC8564 //选中 PCF8563

如下图所示：

配置完成后重新编译内核和设备树，得到新的uImage以及stm32mp157d-atk.dtb。

运行测试

使用上面编译得到的内核和设备树启动开发板。当系统第一次启动，没有设置PCF8563时间的时候，启动过程会提示如下图所示信息：

从上图可以看出，系统已经识别出了PCF8563，说明驱动没问题。但是，这里提示检测到低电压，日期和时间无效。这是因为没有设置时间，等系统启动成功，然后参考上一篇笔记内部RTC的设置方法设置RTC时间，比如这里设置时间为2021年5月21号，下午15:52:00，输入如下命令：

date -s "2021-05-21 15:52:00" //设置时间 hwclock -w //保存

时间设置好以后重启系统，此时系统log信息如下图所示：

从上图可以看出，此时PCF8563再没有提示电压低的错误，而且正确的读出了时间信
息，整个开发板掉电以后PCF8563也会继续计时，因为有一个纽扣电池供电。

PCF8563驱动分析

上一小节已经测试了PCF8563，本小节来简单看一下PCF8563驱动源码，根据示例代码44.3.1.3中的第8行的compatible属性值可以找到对应到驱动文件，在Linux源码中搜索字符串“nxp,pcf8563”即可找到对应的驱动文件，驱动文件为drivers/rtc/rtc-pcf8563.c。

PCF8563是个I2C器件，因此基础驱动框架是I2C，在rtc-pcf8563.c文件中找到如下所示内容：

上述示例代码就是个标准的I2C驱动框架，第9-14行的pcf8563_of_match结构体数组就是设备树匹配数组，第10行的compatible属性为“nxp,pcf8563”，和设备树相匹配。匹配以后第23行的pcf8563_probe函数就会执行。

接下来看一下pcf8563_probe函数，函数源码如下(有缩略)：

示例代码44.5.2 pcf8563_probe 函数 
1  static int pcf8563_probe(struct i2c_client *client, 
2  const struct i2c_device_id *id) 
3  { 
4      struct pcf8563 *pcf8563; 
5      int err; 
6      unsigned char buf; 
......
13 pcf8563 = devm_kzalloc(&client->dev, sizeof(struct pcf8563), 
14             GFP_KERNEL); 
15 if (!pcf8563) 
16     return -ENOMEM; 
17 
18 i2c_set_clientdata(client, pcf8563); 
19 pcf8563->client = client; 
20 device_set_wakeup_capable(&client->dev, 1); 
21 
22 /* Set timer to lowest frequency to save power */ 
23 buf = PCF8563_TMRC_1_60; 
24 err = pcf8563_write_block_data(client, PCF8563_REG_TMRC, 1, &buf); 
25 if (err < 0) { 
26     dev_err(&client->dev, "%s: write error\n", __func__); 
27     return err; 
28 } 
29 
30 /* Clear flags and disable interrupts */ 
31 buf = 0; 
32 err = pcf8563_write_block_data(client, PCF8563_REG_ST2, 1, &buf); 
33 if (err < 0) { 
34     dev_err(&client->dev, "%s: write error\n", __func__); 
35     return err; 
36 } 
37 
38 pcf8563->rtc = devm_rtc_allocate_device(&client->dev); 
39 if (IS_ERR(pcf8563->rtc)) 
40     return PTR_ERR(pcf8563->rtc); 
41 
42 pcf8563->rtc->ops = &pcf8563_rtc_ops; 
43 /* the pcf8563 alarm only supports a minute accuracy */ 
44 pcf8563->rtc->uie_unsupported = 1; 
45 pcf8563->rtc->range_min = RTC_TIMESTAMP_BEGIN_2000; 
46 pcf8563->rtc->range_max = RTC_TIMESTAMP_END_2099; 
47 pcf8563->rtc->set_start_time = true; 
48 
49 if (client->irq > 0) { 
50     err = devm_request_threaded_irq(&client->dev, client->irq, 
51             NULL, pcf8563_irq, 
52             IRQF_SHARED | IRQF_ONESHOT | IRQF_TRIGGER_LOW, 
53             pcf8563_driver.driver.name, client); 
54     if (err) { 
55         dev_err(&client->dev, "unable to request IRQ %d\n",
56                     client->irq); 
57         return err; 
58     } 
59 } 
60 
61 err = rtc_register_device(pcf8563->rtc); 
62 if (err) 
63     return err; 
...... 
70 return 0; 
71 }

第13行，申请内存内存，rtc-pcf8563.c定义了一个pcf8563结构体来描述PCF8563芯片，所以这里就是申请一个pcf8563实例。

第23-36行，初始化PCF8563。

第38行，pcf8563结构体里面有个rtc成员变量，此成员变量是个rtc_device结构体指针。
这个就是上一章讲解的RTC驱动框架最核心的rtc_device。这里需要对这个rtc指针分配内存。

第42行，设置rtc_device的ops成员变量为pcf8563_rtc_ops，pcf8563_rtc_ops包含了PCF8563的具体操作，包括设置时间、读取时间、设置闹钟等。

第44-47行，继续初始化rtc的其他成员变量。

第49-59行，中断初始化，PCF8563有个中断引脚INT，因此可以使用中断功能。这里使用devm_request_threaded_irq函数完成中断申请已经初始化，中断函数为pcf8563_irq。

第61行，调用rtc_register_device函数向系统注册rtc_device，也就是pcf8563。

总结 一下，pcf8563_probe函数的核心就是初始化PCF8563，然后使用上一章讲的RTC驱动框架来设置PCF8563，然后向内核注册。

接下来看一下PCF8563的核心：pcf8563_rtc_ops，内容如下：

pcf8563_rtc_ops提供了PCF8563的时间以及闹钟读写操作函数，应用程序对PCF8563的所有操作最终都是通过这些函数来完成的。以读时间为例，当应用程序读取PCF8563当前时间的时候，.read_time就会执行，在这里就是pcf8563_rtc_read_time，函数源码如下(有省略)：

第8行，使用pcf8563_read_block_data函数从PCF8563_REG_ST1寄存器(地址为0X00)开始，连续读取9个寄存器的数据。这样就可以得到PCF8563的控制与状态寄存器1和2，以及事件与日期寄存器的值。

第12行，判断PCF8563的0X02寄存器VL位是否为1，也就是检查PCF8563是否处于低电压模式，事件和日期是否有效。

第28-34行，依次获取PCF8563中的时间和日期值，这里使用bcd2bin函数将原始的BCD值转换为时间值。将获取到的时间和日期打包到参数tm中，tm是个rtc_time结构体指针变量。

第36行，判断0X07寄存器的C位(bit7)的值，此位为1的话表示20xx年，为0的话就是19xx年。

可以看出pcf8563_rtc_read_time函数很简单，就是读取PCF8563内部的时间和日期值，然后将其打包进rtc_time里面。其他的函数大同小异，可以自行分析一下。

至此，PCF8563驱动就简单分析完成了，其他IIC接口的RTC芯片驱动基本都是类似的，可以在实际项目开发中选择合适的RTC芯片。

总结

这里的驱动PCF8563还是比较简单的，因为Linux内核是已经写好了相关驱动的，只要自己在Linux内核配置开启，然后在设备树中添加相应的对应的i2c节点以及GPIO对应的子节点就可以使用了。