DRM架构介绍（一）

1、 DRM简介（Direct Rendering Manager）

传统linux显示设备驱动开发时，通常使用FB驱动架构，随着显卡性能升级：显示覆盖（菜单层级）、GPU加速、硬件光标，传统FB架构无法很好支持，此外，对于多应用的访问冲突也无法很好控制。在这样的背景下，DRM应用而生。

DRM是linux内核中负责与显卡交互的管理架构，用户空间很方便的利用DRM提供的API，实现3D渲染、视频解码和GPU计算等工作。

1.1 DRM发展历史

• 1999年，Precision Insight公司首次为 XFree86 4.0 Server 开发 DRI 显示框架，用于更好的适配 3DFX 公司显卡，初版DRM代码产出后，接下来的几年时间里，DRM 所支持的显卡列表不断被扩充。

• 2008年10月，Linux kernel 2.6.27 进行了一次重大的源码重组：DRM 的整套源码被放到了/drivers/gpu/drm/目录下，不同的GPU厂商代码也被放到了各自子目录下。

• 2014年6月，Atomic API 被添加到Linux 3.16，许多驱动也都转而使用这些新的 API。

• 2018年，又有10个基于 atomic 框架的 DRM 新增驱动被添加到Linux kernel。

1.2 DRM架构对比FB架构优势

DRM是目前Linux的主流图形显示框架，相比于传统FB架构，DRM允许多个程序同时使用视频硬件资源，管理多个程序的资源请求、访问，综上所述DRM更能适应日益更新的显示硬件，DRM优势主要体现：

• DRM原生支持多图层合成，FB原生不支持多层合成。

• FB不支持VSYNC、DMA-BUF、异步更新和fence机制，但DRM原生都支持。

• DRM统一管理GPU和Display驱动，让软件升级、维护和管理更加方便。

1.3 DRM图形显示框架

DRM检测到的每个GPU都作为DRM设备，并为之创建一个设备文件/dev/dri/cardX与之连接，从整体架构上来看主要分为3个主要部分：

• libdrm （接口库）

对底层接口进行封装，向上层提供通用的API接口，主要是对各种IOCTL接口进行封装，便于重用与代码共享。

• KMS (Kernel Mode Setting)

正常工作时，需要设置显卡或者图形适配器的模式，主要体现在以下两个方面：

更新画面：显示buffer的切换，多图层的合成方式控制，以及每个图层的显示位置。

设置显示参数：包括分辨率、刷新率、电源状态（休眠唤醒）等。

• GEM (Graphics Execution Manager)

提供内存管理方法，主要负责显示buffer的分配和释放。

图1.1 DRM图形显示框架总览

图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Direct_Rendering_Manager#/media/File:DRM_architecture.svg

1.4 DRM图形显示框架涉及元素

本章节介绍DRM框架中的一些重点模块的功能与在显示链路中的作用，下图为APP调用DRM到屏幕显示的流程框图。

图1.2 DRM图形显示框架框图

下表对DRM中KMS和GEM两个模型的不同组件进行概述性说明，辅以高通平台代码层级的对应关系说明，以加深架构与流程之间的对应联系。

2 、DRM驱动框架

2.1 DRM驱动对象介绍

DRM内部的Objects是组成DRM框架的核心，下图中蓝色部分为物理硬件的抽象，棕色部分则为软件的抽象，其中GEM结构体为：drm_gem_object，其余部分位于结构体drm_mode_object中.

PS：drm_panel不属于object范畴，只是为了降低LCD驱动与encoder驱动间的耦合，是一堆回调函数集合。

图2.1 DRM核心组件介绍

2.2 DRM抽象硬件如何关联DRM Object

DRM的objects并不难理解，重要的是如何将实际的硬件与这些object进行关联，下面会以MIPI DSI接口为例进行介绍软件架构与DRM object的对应关系。

图2.2 典型MIPI DSI接口硬件连接图

图2.3 硬件与DRM Objects对应图

其中组件说明：

3 、DRM简单示例

DRM代码非常庞大，显卡逻辑也非常复杂，在学习DRM架构时，需要通过实践对DRM的流程进行理解，以达到事半功倍的效果。

下面会以模式设置案例，对DRM架构的流程进行解析。modeset主要流程如下：

图3.1 DRM Modeset流程总览

3.1 打开DRM设备文件

DRM框架成功加载后，会创建一个设备文件/dev/dri/card0，上层用户应用可以通过该文件节点，获取显卡的各种操作。

3.2 获取显卡资源句柄

打开DRM设备文件后，通过以下函数获取显卡的资源句柄，进而进行显卡资源的操作。

3.3 获取connectorId

获取了drmModeRes后，获取它的连接对象。

3.4 创建FrameBuffer

创建FrameBuffer后，然后映射一片内存，对这块内存进行像素数据填充。

3.5 设置Crtc模式

FB创建成功并进行清0操作，可以在里面填充任何数据，然后设置CRTC后，FB的内容就可以显示在屏幕。

CRTC模式设置函数：drmModeSetCrtc()，参数为：fd、crtc句柄、FB句柄、X\Y坐标等。

3.6 资源清理工作（非必需）

显示完成后，GUI会一直运行，一般不必实施资源清理工作。

本章小结

本文介绍了DRM架构的发展历史、驱动框架以及简单示例，旨在帮助读者了解DRM架构的形成、功能流程实现，DRM代码庞大且复杂，想要深入理解它的内涵，最好的办法就是根据实际需求来进行代码流程梳理，后续章节也会对该部分进行展开讲解。

此外，DRM架构符合功能日益强大的现代显示设备，但仍有很多老的设备以及软件需要FB支持，在目前DRM框架中，会存在模拟FB设备的代码，参见drivers/gpu/drm/xxx/drv.c文件，会在设备目录下出现：/dev/fb0 。

Reference

1.https://www.kernel.org/doc/html/latest/gpu/index.html 

Linux GPU Driver Developer’s Guide

2. https://www.kernel.org/doc/html/latest/gpu/drm-kms.html#kms-properties     

Kernel Mode Setting (KMS)

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