Linux DRM 框架简介

Linux DRM 框架详解

Linux DRM（Direct Rendering Manager）是 Linux 内核中用于管理图形显示和 GPU 加速的核心子系统，替代了传统的 FBDEV（Framebuffer Device）框架，支持现代图形硬件的复杂需求（如多层合成、硬件加速、多显示器管理等）。以下是其核心组成、工作原理及关键概念：

1. DRM 的核心架构

DRM 框架分为用户空间和内核空间两部分，通过 libdrm 库实现交互：

用户空间：通过 libdrm 封装 IOCTL 接口，提供统一的 API 给应用程序（如 SDL、Wayland）。
内核空间：包含 DRM 核心（通用逻辑）和 DRM 驱动（硬件适配层），驱动通过注册 drm_driver结构体与核心交互。

2. 核心子系统

(1) KMS（Kernel Mode Setting）

负责显示模式设置和画面控制，包含以下关键对象：

CRTC（阴极射线管控制器）：管理显示时序和扫描输出，将 Framebuffer 转换为硬件可识别的信号。
Encoder：将 CRTC 的输出信号转换为显示器支持的格式（如 HDMI、DP）。
Connector：连接物理显示设备（如 HDMI 接口），获取 EDID 信息并检测连接状态。
Plane：硬件图层，支持多图层叠加（如视频层、UI 层），每个 CRTC 至少关联一个 Primary Plane。
Framebuffer（FB）：描述显存中图像数据的基本信息（格式、尺寸、步长等），与硬件无关

(2) GEM（Graphics Execution Manager）

管理显存分配和同步，核心功能包括：

显存分配：通过 shmem 或 CMA 分配内存，支持连续/非连续物理内存（如 PRIME 共享）。
同步机制：使用 fence（基于 dma_fence）确保 GPU/CPU 操作顺序，避免数据竞争。
DMA-BUF：跨设备共享缓冲区（如 GPU 与视频解码器共享数据）

(3) libdrm

用户空间库，封装 DRM IOCTL 接口，提供以下功能：

设备文件（/dev/dri/cardX）的打开与控制。
内存映射（mmap）和缓冲区管理。
原子操作支持（如模式设置、页面翻转）

3. DRM 的工作流程

初始化：驱动通过 drm_dev_register()注册设备，KMS 初始化 CRTC、Encoder 等组件。
模式设置：用户空间调用 drmModeSetCrtc()配置分辨率、刷新率，KMS 更新硬件时序。
显存分配：应用通过 drmModeAddFB()创建 Framebuffer，GEM 分配显存并返回句柄。
渲染与提交：GPU 写入显存后，通过 drmModePageFlip()触发页面翻转，VBLANK 同步确保无撕裂。
资源释放：关闭文件描述符时，DRM 自动回收显存和对象

4. 关键技术与机制

VBLANK 同步：利用垂直消隐期切换帧缓冲，避免画面撕裂。驱动需实现 drm_crtc_funcs.vblank_enable/disable。
原子操作：通过 drm_atomic_commit()批量提交配置（如 CRTC/Plane 参数），确保原子性。
多 GPU 支持：通过 PRIME 共享显存，支持离散 GPU 和集成 GPU 的协同工作

5. DRM 与 FBDEV 的对比

特性	DRM	FBDEV
多图层支持	支持（通过 Plane 叠加）	不支持
内存管理	GEM 管理显存，支持 DMA-BUF	直接操作 `/dev/fb`，易冲突
硬件加速	支持 3D 渲染、视频解码	仅基础 2D 操作
多显示器	支持多 CRTC 和 Connector	仅单显示器
同步机制	VBLANK 和 fence 保证时序	依赖应用层轮询