Framebuffer、DRM、EXA和Mesa简介

╰半夏微凉° 2022-07-14 13:51 250阅读 0赞

#### 1. Framebuffer ####

Framebuffer驱动提供基本的显示，framebuffer驱动操作的硬件就是一个显示控制器和帧缓存（一片位于系统主存或者显卡显存）。Framebuffer驱动向应用程序提供/dev/fbx的设备接口，应用程序通过读写这个设备节点实现对显示控制器和帧缓存。

下面这个程序显示了应用程序操作操作framebuffer节点的过程。运行这个程序，将在屏幕上方显示一个正方形（这里省略了错误检查代码）。

*1 \#include <stdio.h>*  
*2 \#include <unistd.h>*  
*3 \#include <fcntl.h>*  
*4 \#include <sys/mman.h>*  
*5 \#include <sys/ioctl.h>*  
*6 \#include <[Linux][]/fb.h>*  
*7*   
*8 int main ()*  
*9 \{*   
*10 int fd;*  
*11 struct fb\_var\_screeninfo vinfo;*  
*12 struct fb\_fix\_screeninfo finfo;*  
*13 size\_t screensize = 0;*  
*14 int location;*  
*15 char \*fbp = NULL, \*ptr;*  
*16 int x, y, x0, y0;*  
*17 int i,j;*  
*18 int ret;*  
*19*   
*20 fd = open("/dev/fb0", O\_RDWR);*  
*21 if (fd < 0)\{*   
*22 fprintf(stderr, "error open fb0\\n");*  
*23 return -1;*  
*24 \}*  
*25 ret= ioctl(fd, FBIOGET\_FSCREENINFO, &finfo ) ;*  
*26 if (ret < 0) \{*   
*27 fprintf(stderr, "get fixed screen info error\\n");*  
*28 return -1;*  
*29 \}*  
*30 ret = ioctl(fd, FBIOGET\_VSCREENINFO, &vinfo);*  
*31 if (ret < 0) \{*   
*32 fprintf(stderr, "get variable screen info error\\n");*  
*33 return -1;*  
*34 \}*  
*35 ret = ioctl(fd, FBIOPAN\_DISPLAY,&vinfo);*

*36 if (ret < 0) \{*

*37 fprintf(stderr, "pan display failed\\n");  
38 return -1;  
39 \}  
40 screensize=vinfo.xres \* vinfo.yres \* vinfo.bits\_per\_pixel /8 ;  
41 fbp = (char \*)mmap(NULL, screensize, PROT\_READ|PROT\_WRITE, MAP\_SHARED, fd, 0);  
42 if (fbp == MAP\_FAILED) \{  
43 fprintf(stderr, "mapped error\\n");  
44 return -1;  
45 \}  
46 x0 = 200;  
47 y0 = 200;  
48 ptr = fbp + y0 \* finfo.line\_length + x0 \* vinfo.bits\_per\_pixel / 8;  
49 for( i = 0; i < 100; i++)\{  
50 char\* tmp\_ptr = ptr;  
51 for(j = 0; j < 100; j++)\{  
52 \*tmp\_ptr++ = 0;  
53 \*tmp\_ptr++ = 255;  
54 \*tmp\_ptr++ = 0;  
55 \*tmp\_ptr++ = 0;  
56 \}  
57 ptr += finfo.line\_length;  
58 \}  
59 munmap(fbp,screensize);  
60 close(fd);  
61 return 0;  
62 \}*

应用程序对framebuffer的操作主要是通过ioctl和mmap完成的。mmap将显存映射到用户空间。25行和30行分别获取当前framebuffer驱动的“固定参数”和“可变参数”，这两个参数包含了当前显示控制其的一些信息，可变参数主要是当前分辨率信息，固定参数主要是当前显存的地址。35行FBIOPAN\_DISPLAY通常用于双缓存，但是这里使用还有其它意义，在后面讨论drm的framebuffer的时候还会具体讨论。41行将显存映射出来，51-59行操作这片显存，往上绘制一个左上方坐标为（200,200）,边长为100的正方形。

应用程序能够使用这些ioctl是因为内核提供了相应的接口，Linux内核设备驱动相关的书籍都会讨论framebuffer驱动，这里不讨论如何写一个framebuffer驱动。

#### 2. DRM驱动 ####

[前一篇博文][Link 1]的图4内核里面是drm驱动，注意到和图3的区别，单独的FB driver已经没有了，而是被集合到了drm驱动里面。在一些只要求进行进本显示的[嵌入式][Link 2]系统上，依然会使用单独的framebuffer驱动，而对于内核中有3D加速的AMD、intel等驱动，内核里面和显示有关的功能已经集合到了drm驱动里面。在AMD/intel显卡+Xorg+3D这样配置的开源Linux系统上，Xorg并不使用，但是系统中仍然有/dev/fb0这样的设备节点，如果我们在桌面环境下“cat xxx >/dev/fb0”，系统不会有变化。然而如果将xorg.conf的Driver修改成“fbdev”，重启Xorg，在执行操作，能够看到有变化（关于Xorg.conf可以参考"man xorg.conf"，或者查看[这个][Link 3]页面）。或者切换到控制台终端“Ctrl+Alt+Fn”，然后运行同样的命令，就能够看到屏幕上的内容发生了变化，在这篇博文的第一节的程序有一个FBIOPAN\_DISPLAY调用，这个调用会使得显卡的Crtc指向的显存地址发生变化而将当前的显示区域切换到fb0设备节点对应的区域，因此上面的程序运行即使在X桌面环境下运行，也能够看到屏幕发生了变化。这提示我们在核外X驱动正常运行的情况下，核外X驱动并不使用framebuffer驱动（实际上drm驱动注册的frambuffer设备只是给内核使用），在X启动运行后，不使用framebuffer 管理的那片内存的内容作为显示输出，而是使用了另外一片内存。

当前的Linux系统上内核的显卡驱动称为drm驱动，在通常的linux内核发行版上，我们使用lsmod命令查看内核模块，能够看到类似下面的信息：

radeon 933054 3

ttm 45600 1 radeon

drm\_kms\_helper 22468 1 radeon

drm 162230 5 radeon,ttm,drm\_kms\_helper

i2c\_algo\_bit 5055 2 i2c\_gpio,radeon

机器使用的是AMD的radeon显卡，上面显示了当前系统内核和显卡驱动相关的模块，drm模块是内核drm驱动的基础[架构][Link 4]，所有drm显卡驱动都会加载这个内核模块，ttm是ttm内核管理机制，drm\_kms\_helper是内核模式的基础框架代码，i2c\_algo\_bit是显卡上操作i2c设备使用的模块，显卡上的i2c设备主要包括了connector，encoder以及pll时钟芯片。Drm内核驱动的代码在内核源码目录drivers/gpu/drm下面。加载了drm驱动后，在/dev目录下面会生成如下设备节点：

/dev/char/226:0 -> ../dri/card0

/dev/char/226:64 -> ../dri/controlD64

/dev/dri/card0

/dev/dri/controlD64

其中/dev/dri/card0是操作gpu的接口，发送命令等操作都是通过对这个设备节点进行的。/dev/dri/controlD64是kms相关的设备节点。

通常核外的驱动程序使用ioctl调用同内核进行交互，linux系统上核外对drm的ioctl进行了一层封装，即libdrm，应用程序通过libdrm调用操作硬件，关于drm的调用，这里有一些比较好的示例代码 [https://github.com/dvdhrm/docs][https_github.com_dvdhrm_docs]，这份代码主要调用libdrm进行模式设置，有详细的注释。

Linux下的图形驱动的主要部分是核外部分，核外部分包括了xorg exa驱动以及mesa 3d 驱动，exa是传统的2D加速框架，mesa 3d驱动则是针对3D驱动的硬件加速。由于历史原因，在Fedora 16以及更早和稍后的系统上，即使现在硬件上不包含单独的2D部件2D功能是由3D部件实现的，但是2D驱动和3D仍然是分离的。

#### 3. EXA驱动 ####

早期的2D加速驱动使用的是XAA、KAA架构，但是随着composite扩展的加入，新的exa框架产生了，EXA删除掉了原来2D驱动中的三角形绘制、线绘制等一些现在没什么用处的功能，取而代之的是三个加速功能：矩形填充（Solid）、拷屏操作（Copy/Blt）和混合操作（Composite）。

“[XFree86 server 4.x Design (DRAFT)][XFree86 server 4.x Design _DRAFT]”文详细介绍xorg驱动需要提供的接口，EXA驱动通过扩展的形式添加并编译到xorg驱动中。在后续的blog文章里面将介绍exa驱动接口，并使用radeon的exa驱动来描述显卡驱动编程过程。

#### 4. 3D驱动 ####

在linux环境中，我们可以通过glxinfo命令插卡3D硬件图形加速是否可用。比如在radeon显卡上glxinfo的输出包含以下内容：

OpenGL renderer string: Gallium 0.4 on AMD CEDAR

这里显示使用AMD CEDAR核心的显卡进行opengl 3d加速，如果硬件加速不可用，则应当是“vmware on llvmpipe”这类字眼。

开源的OpenGL实现是mesa，mesa向上提供OpenGL接口，下层通过硬件的mesa驱动和硬件交互。GLX是X协议的扩展，用于OpenGL和X的交互（[GLX规范][GLX]）。在mesa源码包中包含了大量的opengl示例程序，包括OpenGL红宝书中的示例代码、调用GLUT或者GLX接口的代码、调用EGL的代码等。

![282030117933765.png][]

图1

图1显示了一个3D应用程序运行的过程，OpenGL绘图程序命令被用户空间的mesa驱动翻译成对应GPU的绘图命令放入命令缓冲区中，其他的如顶点信息/纹理信息/索引信息放入到相应缓冲中，mesa驱动为每个应用程序保存了当前的绘图状态，当发生3D程序切换，当前状态被保存下来，当下次调度该程序运行的时候，先恢复该程序的绘图状态到硬件上，然后继续执行命令缓存中的命令。当用户空间调用发送命令到内核的时候，内核驱动对硬件进行编程从该程序的命令缓冲区中取命令开始执行。这个过程是在dri框架下实现的，这里的所有绘制过程并不请求X，OpenGL直接将命令发送给硬件。GLX在初始化窗口，申请buffer和切换buffer的时候才会和X交互。

图1来自文献“[Graphic Engine Resource Management][]”，这篇文章描述了对早期的内核drm驱动做的一些改进，在这篇硕士论文“[A Fair-Share Scheduler for the Graphics Processing Unit][]”对一些问题有更清楚的描述。

其他参考资料：

[DRM and KMS kernel modules][] 描述了drm驱动和kms的一些细节。

[Linux]: http://lib.csdn.net/base/linux
[Link 1]: http://www.cnblogs.com/shoemaker/p/linux_graphics01.html
[Link 2]: http://lib.csdn.net/base/embeddeddevelopment
[Link 3]: http://www.x.org/archive/X11R7.7/doc/man/man5/xorg.conf.5.xhtml
[Link 4]: http://lib.csdn.net/base/architecture
[https_github.com_dvdhrm_docs]: https://github.com/dvdhrm/docs
[XFree86 server 4.x Design _DRAFT]: http://www.x.org/archive/X11R6.9.0/doc/PDF/DESIGN.pdf
[GLX]: https://www.opengl.org/documentation/specs/glx/glx1.4.pdf
[282030117933765.png]: /images/20220714/ee667376f3884116836a9ee67c41a355.png
[Graphic Engine Resource Management]: http://www.ecsl.cs.sunysb.edu/tr/TR222.pdf
[A Fair-Share Scheduler for the Graphics Processing Unit]: http://www.ecsl.cs.sunysb.edu/tr/ashok.pdf
[DRM and KMS kernel modules]: http://moi.vonos.net/linux/drm-and-kms/