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

1. 初始化：驱动通过 drm_dev_register()注册设备，KMS 初始化 CRTC、Encoder 等组件。

2. 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。

3. 显存分配：应用通过 drmModeAddFB()创建 Framebuffer，GEM 分配显存并返回句柄。

4. 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。

5. 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

---

6. 典型应用场景

• 嵌入式设备：如 RK3399 的 MIPI DSI 屏幕驱动，通过 DRM 管理显示流水线 

• 桌面环境：Wayland/Weston 使用 DRM 直接渲染，绕过 X Server。

• GPU 计算：CUDA/OpenCL 通过 DRM 提交计算任务，利用 GPU 加速 

---

7. 驱动开发要点

• 注册设备：使用 drm_dev_alloc()分配设备实例，填充 drm_driver结构体。

• 实现 KMS 操作：如 drm_mode_config_funcs中的模式设置回调。

• 内存管理：若使用 GEM，需实现 drm_gem_object_ops；若用 TTM，则需初始化 TTM 全局引用 

• 中断处理：通过 drm_irq_install()注册 VBLANK 中断处理函数。

---

总结​

Linux DRM 框架通过分层设计（用户空间 API、内核核心、硬件驱动）和模块化组件（KMS、GEM），实现了高效、安全的图形管理。其核心优势在于支持现代图形硬件的复杂需求，如多层合成、多 GPU 协同和异步渲染，是嵌入式和桌面 Linux 图形系统的基石。