Linux DRM基本概念与使用示例(C语言)

一、前言

在本周的工作中为解决客户问题,查看awtk-linux-fb中的源码,其中对于里面关于DRM的内容很感兴趣,请教同事后又上网查了资料,本文对DRM的学习做了总结记录,并以C语言练习了DRM的使用。在此感谢回答我疑问的同事。

注:awtk-linux-fb是AWTK
针对arm-linux平台的移植,github仓库:https://github.com/zlgopen/awtk-linux-fb。

二、什么是DRM

DRM( Direct Rendering Manager)即直接渲染管理器。它是为了解决多个程序对 Video Card 资源的协同使用问题而产生的。它向用户空间提供了一组 API,用以访问操纵 GPU。

简单理解,DRM是Linux下的图形渲染架构,用来管理显示输出和分配buffer。应用程序可以直接操纵 DRM的 ioctl 或者是用 framebuffer 提供的接口进行显示相关操作。后来封装成了 libdrm 库,让用户可以更加方便的进行显示控制。

三、DRM包含的基本概念

要弄明白 DRM 是怎么把用户的绘图输出到显示屏上,绕不开以下几个概念,具体关系如下图所示:

  • Framebuffer
  • CRTC
  • Encoder
  • Connector
  • Display Device(LCD)


    在这里插入图片描述

3.1 DRM Framebuffer

它是一块内存区域,可以理解为一块画布,驱动和应用层都能访问它。绘制前需要将它格式化,设定绘制的色彩模式(例如RGB24,YUV 等)和画布的大小(分辨率)。

3.2 CRTC

阴极摄像管上下文。这个看名字很很难懂,但简单的来说他就是显示输出的上下文,可以理解为扫描仪。CRTC对内连接 Framebuffer 地址,对外连接 Encoder,会扫描 Framebuffer 上的内容,叠加上 Planes 的内容,最后传给Encoder。

3.3 Planes

平面。它和 Framebuffer 一样是内存地址。它的作用是干什么呢?打个比方,在电脑上,一边打字聊微信一边看电影,这里对立出来两个概念,打字是文字交互,是小范围更新的 Graphics 模式;看电影是全幅高速更新的 Video 模式,这两种模式将显卡的使用拉上了两个极端。

这时Planes就发挥了很好的作用,它给 Video 刷新提供了高速通道,使 Video 单独为一个图层,可以叠加在 Graphic 上或之下,并具有缩放等功能。

Planes 是可以有多个的,相当于图层叠加,因此扫描仪(CRTC)扫描的图像实际上往往是 Framebuffer 和 Planes 的组合(Blending)。

3.4 Encoder

编码器。它的作用就是将内存的 pixel 像素编码(转换)为显示器所需要的信号。简单理解就是,如果需要将画面显示到不同的设备(Display Device)上,需要将画面转化为不同的电信号,例如 DVID、VGA、YPbPr、CVBS、Mipi、eDP 等。

Encoder 和 CRTC 之间的交互就是我们所说的 ModeSetting,其中包含了前面提到的色彩模式、还有时序(Timing)等。

3.5 Connector

连接器。它常常对应于物理连接器 (例如 VGA, DVI, FPD-Link, HDMI, DisplayPort, S-Video等) ,它不是指物理线,在 DRM中,Connector 是一个抽象的数据结构,代表连接的显示设备,从Connector中可以得到当前物理连接的输出设备相关的信息 ,例如,连接状态,EDID数据,DPMS状态、支持的视频模式等。

四、DRM使用示例(C语言)

根据上文,可以知道 DRM 是一个显示驱动框架,也就是把功能封装成 open/close/ioctl 等标准接口,应用程序调用这些接口来驱动设备,显示数据。本文接下来将从使用者的角度来看,验证和使用DRM驱动。

DRM设备节点 :DRM 驱动会在/ dev/dri 下创建3个设备节点:

card0
controlD64
renderD128

libdrm库 :DRM驱动,对用户空间,提供了专门的的调用库libdrm.so,用户空间通过该库可以间接的调用和使用驱动。

4.1 打开设备

/* 打开设备有专门的接口:drmOpen ,但此处为方便,使用open函数 */
int fd = open("/dev/dri/card0", O_RDWR | O_CLOEXEC);
    if (fd < 0) {
        ret = -errno;
        fprintf(stderr, "cannot open '%s': %m\n", node);
        return ret;
    }

4.2 检查DRM的能力

DRM的能力通过drmGetCap接口获取,用drm_get_cap结构描述:

/** DRM_IOCTL_GET_CAP ioctl argument type */
struct drm_get_cap {
    __u64 capability;
    __u64 value;
};

int drmGetCap(int fd, uint64_t capability, uint64_t *value)
{
    struct drm_get_cap cap;
    int ret;

    memclear(cap);
    cap.capability = capability;

    ret = drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_GET_CAP, &cap);
    if (ret)
        return ret;

    *value = cap.value;
    return 0;
}

使用示例:

        uint64_t has_dumb;
    if (drmGetCap(fd, DRM_CAP_DUMB_BUFFER, &has_dumb) < 0 || !has_dumb) {
        fprintf(stderr, "drm device '%s' does not support dumb buffers\n",
            node);
        close(fd);
        return -EOPNOTSUPP;
    }

4.3 检索Resource

获取Resource具体看以下函数:

drmModeResPtr drmModeGetResources(int fd)

Resource结构封装:

struct drm_mode_card_res {
    __u64 fb_id_ptr;
    __u64 crtc_id_ptr;
    __u64 connector_id_ptr;
    __u64 encoder_id_ptr;
    __u32 count_fbs;
    __u32 count_crtcs;
    __u32 count_connectors;
    __u32 count_encoders;
    __u32 min_width, max_width;
    __u32 min_height, max_height;
};
typedef struct _drmModeRes {

    int count_fbs;
    uint32_t *fbs;

    int count_crtcs;
    uint32_t *crtcs;

    int count_connectors;
    uint32_t *connectors;

    int count_encoders;
    uint32_t *encoders;

    uint32_t min_width, max_width;
    uint32_t min_height, max_height;
} drmModeRes, *drmModeResPtr;

使用示例:

    /* retrieve resources */
    int ret = drmModeGetResources(fd);
    if (!res) {
        fprintf(stderr, "cannot retrieve DRM resources (%d): %m\n",
            errno);
        return -errno;
    }

4.4 获取Connector

_drmModeConnector描述结构:

typedef struct _drmModeConnector {
    uint32_t connector_id;
    uint32_t encoder_id; /**< Encoder currently connected to */
    uint32_t connector_type;
    uint32_t connector_type_id;
    drmModeConnection connection;
    uint32_t mmWidth, mmHeight; /**< HxW in millimeters */
    drmModeSubPixel subpixel;

    int count_modes;
    drmModeModeInfoPtr modes;

    int count_props;
    uint32_t *props; /**< List of property ids */
    uint64_t *prop_values; /**< List of property values */

    int count_encoders;
    uint32_t *encoders; /**< List of encoder ids */
} drmModeConnector, *drmModeConnectorPtr;

使用示例:

        drmModeConnector *conn = drmModeGetConnector(fd, res->connectors[i]);
        if (!conn) {
            fprintf(stderr, "cannot retrieve DRM connector %u:%u (%d): %m\n",
                i, res->connectors[i], errno);
            continue;
        }

4.5 Encoder

Encoder的结构描述:

typedef struct _drmModeEncoder {
    uint32_t encoder_id;
    uint32_t encoder_type;
    uint32_t crtc_id;
    uint32_t possible_crtcs;
    uint32_t possible_clones;
} drmModeEncoder, *drmModeEncoderPtr;

使用示例:

  if (conn->encoder_id)
        drmModeEncoder *enc = drmModeGetEncoder(fd, conn->encoder_id);
    }
drmModeEncoderPtr drmModeGetEncoder(int fd, uint32_t encoder_id)
{
    struct drm_mode_get_encoder enc;
    drmModeEncoderPtr r = NULL;

    memclear(enc);
    enc.encoder_id = encoder_id;

    if (drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_GETENCODER, &enc))
        return 0;

    if (!(r = drmMalloc(sizeof(*r))))
        return 0;

    r->encoder_id = enc.encoder_id;
    r->crtc_id = enc.crtc_id;
    r->encoder_type = enc.encoder_type;
    r->possible_crtcs = enc.possible_crtcs;
    r->possible_clones = enc.possible_clones;

    return r;
}

4.6 CRTC

CRTC结构描述:

struct crtc {
    drmModeCrtc *crtc;
    drmModeObjectProperties *props;
    drmModePropertyRes **props_info;
    drmModeModeInfo *mode;
};
typedef struct _drmModeCrtc {
    uint32_t crtc_id;
    uint32_t buffer_id; /**< FB id to connect to 0 = disconnect */

    uint32_t x, y; /**< Position on the framebuffer */
    uint32_t width, height;
    int mode_valid;
    drmModeModeInfo mode;

    int gamma_size; /**< Number of gamma stops */

} drmModeCrtc, *drmModeCrtcPtr;

4.7 FrameBuffer

  1. 创建DUMB Buffer:
    ret = drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB, &creq);
    if (ret < 0) {
        fprintf(stderr, "cannot create dumb buffer (%d): %m\n",
            errno);
        return -errno;
    }
  1. 添加FrameBuffer:
    /* create framebuffer object for the dumb-buffer */
    ret = drmModeAddFB(fd, dev->width, dev->height, 24, 32, dev->stride,
               dev->handle, &dev->fb);
    if (ret) {
        fprintf(stderr, "cannot create framebuffer (%d): %m\n",
            errno);
        ret = -errno;
        goto err_destroy;
    }
  1. 准备map:
    /* prepare buffer for memory mapping */
    memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));
    mreq.handle = dev->handle;
    ret = drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB, &mreq);
    if (ret) {
        fprintf(stderr, "cannot map dumb buffer (%d): %m\n",
            errno);
        ret = -errno;
        goto err_fb;
    }
  1. 做map操作:
    /* perform actual memory mapping */
    dev->map = mmap(0, dev->size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
                fd, mreq.offset);
    if (dev->map == MAP_FAILED) {
        fprintf(stderr, "cannot mmap dumb buffer (%d): %m\n",
            errno);
        ret = -errno;
        goto err_fb;
    }

4.8 CRTC的准备

准备函数:drmModeGetCrtc、drmModeSetCrtc

drmModeCrtcPtr drmModeGetCrtc(int fd, uint32_t crtcId)
{
    struct drm_mode_crtc crtc;
    drmModeCrtcPtr r;

    memclear(crtc);
    crtc.crtc_id = crtcId;

    if (drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_GETCRTC, &crtc))
        return 0;

    /*
     * return
     */

    if (!(r = drmMalloc(sizeof(*r))))
        return 0;

    r->crtc_id         = crtc.crtc_id;
    r->x               = crtc.x;
    r->y               = crtc.y;
    r->mode_valid      = crtc.mode_valid;
    if (r->mode_valid) {
        memcpy(&r->mode, &crtc.mode, sizeof(struct drm_mode_modeinfo));
        r->width = crtc.mode.hdisplay;
        r->height = crtc.mode.vdisplay;
    }
    r->buffer_id       = crtc.fb_id;
    r->gamma_size      = crtc.gamma_size;
    return r;
}

int drmModeSetCrtc(int fd, uint32_t crtcId, uint32_t bufferId,
           uint32_t x, uint32_t y, uint32_t *connectors, int count,
           drmModeModeInfoPtr mode)
{
    struct drm_mode_crtc crtc;

    memclear(crtc);
    crtc.x             = x;
    crtc.y             = y;
    crtc.crtc_id       = crtcId;
    crtc.fb_id         = bufferId;
    crtc.set_connectors_ptr = VOID2U64(connectors);
    crtc.count_connectors = count;
    if (mode) {
      memcpy(&crtc.mode, mode, sizeof(struct drm_mode_modeinfo));
      crtc.mode_valid = 1;
    }

    return DRM_IOCTL(fd, DRM_IOCTL_MODE_SETCRTC, &crtc);
}

4.9 绘制

static void modeset_draw(void)
{
    uint8_t r, g, b;
    bool r_up, g_up, b_up;
    unsigned int i, j, k, off;
    struct modeset_dev *iter;

    srand(time(NULL));
    r = rand() % 0xff;
    g = rand() % 0xff;
    b = rand() % 0xff;
    r_up = g_up = b_up = true;

    for (i = 0; i < 50; ++i) {
        r = next_color(&r_up, r, 20);
        g = next_color(&g_up, g, 10);
        b = next_color(&b_up, b, 5);

        for (iter = modeset_list; iter; iter = iter->next) {
            for (j = 0; j < iter->height; ++j) {
                for (k = 0; k < iter->width; ++k) {
                    off = iter->stride * j + k * 4;
                    *(uint32_t*)&iter->map[off] =
                             (r << 16) | (g << 8) | b;
                }
            }
        }

        usleep(100);
    }
}

五、总结

以上使用示例仅为简单绘制,更详细且严谨的代码请参考:awtk-linux-fb/awtk-port/lcd_linux/lcd_linux_drm.c

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