深入浅出Linux图形化架构

本文可能需要你有一些系统架构，内核模块，Linux驱动，VFS(虚拟文件系统)子系统等背景知识；

本文不是对OpenGL图形学的介绍，而是从OS层次对图形显示架构进行的讨论；

本文主要以文字叙述为主，配以少量框图解释。后期如果有机会，会增加一些图片进行解释。

一、从图形学角度来看Linux内核

实模式下编程，我们了解到：在低地址内存空间，有一段内存区域可以向显示屏输出，即FB架构(Frame Buffer)。该显示架构一般用作实模式下的字符输出——字符模式。

二、聊聊显卡(集显与独显)，从总线架构来看

不管是内存，还是显卡，作为计算机必不可少的模块，其都是与CPU的PCI总线直接相连(挂载于PCI总线上)。

PCI发展到现阶段的扩展版本：PCIe，下文以PCIe进行叙述。

既然显卡位于CPU PCIe总线上，那就是说设备可以存在地址映射，这样内核级代码便可以对其进行操作。同时，也由于显卡本身不属于CPU内部架构，所以不可能为其引入单独的指令集。这与AVX，MMX，SSE等CPU内部指令集是不同的，与CPU对内存进行MOV等指令操作也是不同的。当然，显卡的地位还没到内存这么高，虽然同为PCIe总线上的设备。

字符模式的初始化是加电自检阶段由BIOS基础输入输出系统完成，包含了内存地址的映射。在硬件微电路层面，BIOS可能会对内存地址空间进行重排等操作。

Linux要想通过PCIe访问显卡，那便需要PCIe总线的驱动。

引入思考：PCIe总线的初始化过程是怎样的？

认识PCIe总线的地位：

三、继续聊聊显卡，从内核模块角度分析

众说周知，要想访问显卡，除了上述所说的PCIe总线驱动，还需要显卡厂商提供的驱动。无论Windows还是Linux，虽然这两者驱动完全不同。

我们来分析一下Linux下的显卡驱动：

对于集成显卡，通过lspci命令，一般能够看到一个intel的显卡；

对于独立显卡，通过lsmod命令，一般可以看到nvidia或radeon显卡驱动模块。

lspci: 用于查找PCIe总线上的设备；lsmod: 用于查看内核模块中的驱动。

DRM(内核驱动模块)——对显卡硬件的一层抽象，或者说通用显卡访问层。通过DRM驱动，系统可使用通用接口访问各种不同类型的显卡。当然，lsmod | grep nvidia有时候也能找到英伟达独立的驱动(为啥被Linus喷？固执自家那套)。同时，也有nivdia_drm跟DRM兼容的驱动提供。

四、聊聊用户态进程对显示图形的绘制

我们知道用户态进程本身是不能直接操作硬件的，Linux哲学告诉我们 “万物皆文件”。那么想让用户态进程输出图形到显示屏，那么内核必然要在VFS中提供设备文件供用户态进程使用。一般而言，该设备文件在内核模块的实现，就落在DRM驱动头上了。

我们可能听说绘制显示屏其实就是向显存中写入图像数据，而内存与显存是存在映射关系的，那么我们在一段内存中写入数据，其实就是在屏幕上绘制图像。道听途说？但是有道理的！在这里，DRM就完成了这些环境设置的准备工作。这里，我们暂且不考虑性能问题，即内存段被copy了多少次？以及怎样使用copy on write思想来优化它？

Linux设备文件说明：

/dev/dri/card0 这就是DRM内核驱动模块实现并提供给用户态进程的设备文件接口了！

/dev/fb0 FrameBuffer架构的文件，也是DRM提供，直接放在dev下，可能是为了兼容老的方案。

关于Linux下的图形化架构，暂且就先讲到这里。该部分内容比较偏底层，应用层也就是用户态进程，还会进一步接管并控制这些底层的图形化接口。这部分其实就是X-window啦！我之前写过一篇就是关于这个的，有兴趣的话可以看一下！