gpu驱动中的MMIO和CP

在 GPU 驱动（尤其是现代图形驱动，如 Linux DRM 驱动中的 amdgpu、i915 等）中，MMIO 和 CP 是两种关键的与 GPU 通信和控制的方式。

它们分别代表不同的硬件交互机制，适用于不同场景。下面将深入浅出地解释这两个概念。

 

一、MMIO（Memory-Mapped I/O）

1. 什么是 MMIO？

MMIO 全称是 Memory-Mapped Input/Output（内存映射输入/输出）。它是一种 CPU 与外设（如 GPU）通信的方式：

把设备的寄存器地址映射到 CPU 的内存地址空间中，CPU 通过读写这些“内存地址”来控制硬件。

换句话说，GPU 的控制寄存器（比如启动引擎、设置状态、读取中断标志等）被“挂”在系统的物理内存地址上。驱动程序通过 mmap() 或内核的 ioremap() 将这些物理地址

映射到虚拟地址，然后像访问普通内存一样读写它们。

2. MMIO 的特点

• 低延迟、直接控制：适合配置寄存器、查询状态、触发小操作。
• 由 CPU 主动发起：每次读写都消耗 CPU 周期。
• 带宽有限：不适合传输大量数据（如纹理、顶点）。
• 同步操作：写入后通常立即生效（或在 GPU 的寄存器流水线中很快处理）。

3. 在 GPU 驱动中的用途

• 初始化 GPU（设置时钟、电源域、中断使能等）
• 启动命令处理器（CP）
• 查询 GPU 状态（是否空闲、错误状态等）
• 提交小型命令或 fence 信号
• 控制显示引擎（配合 KMS 设置分辨率等）

 

示例（伪代码）：

// 映射 GPU 寄存器基地址
void __iomem *mmio = ioremap(gpu_mmio_base, mmio_size);

// 写入寄存器：启动某个引擎
writel(0x1, mmio + ENGINE_START_REG_OFFSET);

　　

二、CP（Command Processor / Command Processor Ring）

1. 什么是 CP？

CP 是 GPU 内部的一个专用硬件单元，全称通常是 Command Processor（命令处理器），有时也叫 Graphics Command Processor。
它的作用是：从内存中读取预先准备好的命令流（command buffer），并逐条解析、分发给 GPU 的各个引擎（如 3D 引擎、视频解码器、DMA 引擎等）执行。

驱动并不直接通过 MMIO 发送每一条绘图命令，而是：

1. 在系统内存或显存中构建一个“命令缓冲区”（command buffer）；
2. 通过 MMIO 通知 CP 去读取这个缓冲区；
3. CP 自动 fetch & execute 这些命令，无需 CPU 干预。

这类似于“批处理”模式，极大提升效率。

2. CP 的工作方式（Ring Buffer 模型）

大多数现代 GPU 使用 环形缓冲区（Ring Buffer） 作为 CP 的命令队列：

• 驱动向 ring buffer 的“尾部”写入新命令；
• GPU 的 CP 单元从“头部”读取并执行；
• 通过两个寄存器（HEAD / TAIL）协调进度（通常 TAIL 由 CPU 写，HEAD 由 GPU 更新）；
• 当 TAIL 更新后，CP 自动开始处理新命令。

这种方式实现了 异步、批量、高吞吐 的 GPU 控制。

3. CP 的优势

• 高吞吐量：一次提交成百上千条命令，避免频繁 MMIO 开销。
• 降低 CPU 占用：命令执行期间 CPU 可以去做其他事。
• 支持复杂操作：如 draw call、纹理上传、同步 fence、上下文切换等。
• 天然支持多任务/多上下文：不同应用的命令可排队执行。

4. 在驱动中的体现

• Mesa（用户空间）生成 OpenGL/Vulkan 命令 → 打包成 GPU 原生指令（IB: Indirect Buffer）；
• 内核 DRM 驱动将 IB 放入 ring buffer；
• 驱动通过 MMIO 写 TAIL 寄存器，通知 CP 有新工作；
• GPU 执行完成后，可能触发中断通知 CPU。

示例流程（AMD GPU）：

用户程序 → Mesa → 提交 IB 到 amdgpu 驱动
↓
amdgpu 驱动将 IB 地址写入 GFX ring buffer
↓
写 MMIO 寄存器更新 TAIL 指针
↓
CP 单元自动 fetch IB 并 dispatch 给 shader engines
↓
执行完成，触发 IRQ，驱动回收资源

三、MMIO vs CP：对比总结

特性	MMIO	CP（Command Processor）
通信方式	CPU 直接读写 GPU 寄存器	CPU 提交命令缓冲区，GPU 自主执行
粒度	单个寄存器操作	批量命令（draw calls、state changes 等）
性能	低延迟，但高 CPU 开销	高吞吐，低 CPU 占用
用途	初始化、控制、状态查询、启动 CP	实际图形/计算 workload 执行
同步性	同步（写即生效）	异步（提交后 GPU 后台执行）
类比	“手动拧螺丝”	“把图纸交给机器人流水线”

四、实际例子：AMD GPU 中的 CP

在 amdgpu 驱动中：

• 存在多个 ring（GFX ring、Compute ring、DMA ring 等），每个对应一类工作负载；
• 每个 ring 都由一个 CP 单元管理；
• 驱动通过 amdgpu_ib_schedule() 提交 indirect buffer；
• 最终通过写 mmio + mmGRBM_CP_RB_CNTL 等寄存器更新 TAIL。

而在 Intel i915 驱动中，类似机制称为 execlist 或 ringbuffer submission，也是基于命令缓冲区 + MMIO 触发。

五、为什么需要两者结合？

• MMIO 是“控制通道”：用于 setup、teardown、紧急干预；
• CP 是“数据通道”：用于高效执行实际 workload；

没有 MMIO，无法启动 CP；
没有 CP，GPU 只能做非常简单的操作，无法发挥现代 GPU 的并行能力。

 

总结

• MMIO：CPU 通过内存映射直接操控 GPU 寄存器，适合精细控制和初始化。
• CP：GPU 的命令处理器，通过 ring buffer 异步执行大批量命令，是高性能渲染的核心。

二者相辅相成，构成了现代 GPU 驱动与硬件交互的“双轮驱动”模型。