驱动开发系列54 - Linux Graphics QXL显卡驱动代码分析（一）设备初始化

一：概述

QXL 是QEMU支持的一种虚拟显卡，用于虚拟化环境中的图形加速，旨在提高虚拟机的图形显示和远程桌面的用户体验；QEMU 也称 Quick Emulator，快速仿真器，是一个开源通用的仿真和虚拟化工具，可以模拟不同架构的计算机以及运行虚拟机。本文介绍下QXL 虚拟显卡驱动，即Linux 内核代码中QXL显卡驱动部分。看看它是如何支持QEMU虚拟显卡的。 QXL代码分析基于v6.15-rc2内核版本。

二：模块初始化

QXL 虚拟显卡是一个PCI设备，它需要QXL显卡驱动支持显示模式 (modeset) 设置能力，即支持在内核设置输出参数的能力（分辨率，帧率）。比如将显示器设置成1920x1080分辨率。同时QXL显卡驱动在Linux 内核代码中，它是一个独立的内核模块，代码位置是linux/drivers/gpu/drm/qxl。所以QXL内核模块的初始化方式是：

drm_module_pci_driver_if_modeset(qxl_pci_driver, qxl_modeset);

这行代码的意思是：QXL 模块告诉内核，我是一个 PCI 设备驱动模块（基于 DRM 框架），如果你支持 modeset，那我会自动注册 qxl_pci_driver。

三：PCI设备初始化

QXL显卡是PCI设备，所以前面模块初始化时注册了qxl_pci_driver, 下面看看 qxl_pci_driver的定义；

static struct pci_driver qxl_pci_driver = {
	 .name = DRIVER_NAME,
	 .id_table = pciidlist,
	 .probe = qxl_pci_probe,
	 .remove = qxl_pci_remove,
	 .shutdown = qxl_pci_shutdown,
	 .driver.pm = &qxl_pm_ops,
};

这段代码的意思是：我这个 QXL 驱动支持这些 PCI ID，如果你发现这样的设备，就用qxl_pci_probe() 来初始化，拔出时用 qxl_pci_remove() 清理，关机时调用 qxl_pci_shutdown，需要挂起/恢复就用 qxl_pm_ops 处理。

下面这个 pciidlist 是 QXL 驱动和 PCI 总线的匹配表：

static const struct pci_device_id pciidlist[] = {
    { 0x1b36, 0x100, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_CLASS_DISPLAY_VGA << 8, 0xffff00, 0 },
    { 0x1b36, 0x100, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_CLASS_DISPLAY_OTHER << 8, 0xffff00, 0 },
    { 0, 0, 0 },
};

这里面每个结构是一个 struct pci_device_id，用于匹配设备的 Vendor ID、Device ID、Class 等信息：

{
    .vendor     = 0x1b36,     // 厂商 ID（Red Hat QEMU 的 PCI 厂商 ID）
    .device     = 0x0100,     // 设备 ID（QXL 虚拟显卡的 ID）
    .subvendor  = PCI_ANY_ID, // 子系统厂商 ID（任意）
    .subdevice  = PCI_ANY_ID, // 子系统设备 ID（任意）
    .class      = PCI_CLASS_DISPLAY_VGA << 8, // 设备类（VGA 显卡类）
    .class_mask = 0xffff00,   // 匹配 class 的掩码
    .driver_data = 0          // 可用于传递自定义参数，这里设为 0
}

当内核检测到有匹配的PCI设备插入时，即检测到QXL显卡设备时，就调用设备初始化函数qxl_pci_probe，下面我们看看它做了什么工作：

static int
qxl_pci_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
{
	struct qxl_device *qdev;
	int ret;

	if (pdev->revision < 4) {
		DRM_ERROR("qxl too old, doesn't support client_monitors_config,"
			  " use xf86-video-qxl in user mode");
		return -EINVAL; /* TODO: ENODEV ? */
	}

	qdev = devm_drm_dev_alloc(&pdev->dev, &qxl_driver,
				  struct qxl_device, ddev);
	if (IS_ERR(qdev)) {
		pr_err("Unable to init drm dev");
		return -ENOMEM;
	}

	ret = pci_enable_device(pdev);
	if (ret)
		return ret;

	ret = aperture_remove_conflicting_pci_devices(pdev, qxl_driver.name);
	if (ret)
		goto disable_pci;

	if (pci_is_vga(pdev) && pdev->revision < 5) {
		ret = vga_get_interruptible(pdev, VGA_RSRC_LEGACY_IO);
		if (ret) {
			DRM_ERROR("can't get legacy vga ioports\n");
			goto disable_pci;
		}
	}

	ret = qxl_device_init(qdev, pdev);
	if (ret)
		goto put_vga;

	ret = qxl_modeset_init(qdev);
	if (ret)
		goto unload;

	drm_kms_helper_poll_init(&qdev->ddev);

	/* Complete initialization. */
	ret = drm_dev_register(&qdev->ddev, ent->driver_data);
	if (ret)
		goto modeset_cleanup;

	drm_client_setup(&qdev->ddev, NULL);
	return 0;

modeset_cleanup:
	qxl_modeset_fini(qdev);
unload:
	qxl_device_fini(qdev);
put_vga:
	if (pci_is_vga(pdev) && pdev->revision < 5)
		vga_put(pdev, VGA_RSRC_LEGACY_IO);
disable_pci:
	pci_disable_device(pdev);

	return ret;
}

这个代码做的第一件事就是分配一个qxl_device设备；并注册了一个 qxl_driver 驱动，与qxl_device建立绑定关系；关于qxl_device, qxl_driver 后面再说；这里可以理解为他们是QXL设备，和对应的QXL设备驱动。

这个代码做的第二件事就是打开PCI BAR和使能PCI中断访问。也就是说PCI BAR 是PCI设备暴露的"资源入口"，通过它内核可以访问显卡的内存，I/O端口和使能中断，实现真正驱动硬件的能力；PCI设备可以产生中断，比如GPU渲染完成时通知CPU。

这个代码做的第三件事就是初始化QXL设备的显存，寄存器等，这个后面再详细展开说。

这个代码做的第四件事就是配置QXL设备的显示输出（KMS），比如CRTC，Encoder，Connector，这个后面再详细展开说。

这个代码做的第五件事就是向内核注册QXL设备，这样用户空间才能通过 /dev/dri/cardX 访问到该设备。

四：QXL设备初始化

前面在 qxl_pci_probe 分配和初始化了 qxl_device，并将其和qxl_drvier建立了绑定关系。下面看看qxl_driver 和 qxl_device 的定义。

static struct drm_driver qxl_driver = {
	.driver_features = DRIVER_GEM | DRIVER_MODESET | DRIVER_ATOMIC | DRIVER_CURSOR_HOTSPOT,

	.dumb_create = qxl_mode_dumb_create,
	.dumb_map_offset = drm_gem_ttm_dumb_map_offset,
#if defined(CONFIG_DEBUG_FS)
	.debugfs_init = qxl_debugfs_init,
#endif
	.gem_prime_import_sg_table = qxl_gem_prime_import_sg_table,
	DRM_FBDEV_TTM_DRIVER_OPS,
	.fops = &qxl_fops,
	.ioctls = qxl_ioctls,
	.num_ioctls = ARRAY_SIZE(qxl_ioctls),
	.name = DRIVER_NAME,
	.desc = DRIVER_DESC,
	.major = 0,
	.minor = 1,
	.patchlevel = 0,

	.release = qxl_drm_release,
};

这个代码定义了一个 drm_driver 结构体，从这里也可以看出，QXL驱动确实是基于DRM框架的（DRM介绍详见本专栏的相关文章）。 drm_device 是QXL显卡在Linux DRM 框架中的核心驱动结构，这个结构注册后会与DRM核心框架配合，为显卡提供设备初始化，缓冲区管理，图形输出等功能。

struct qxl_device {
	struct drm_device ddev;

	resource_size_t vram_base, vram_size;
	resource_size_t surfaceram_base, surfaceram_size;
	resource_size_t rom_base, rom_size;
	struct qxl_rom *rom;

	struct qxl_mode *modes;
	struct qxl_bo *monitors_config_bo;
	struct qxl_monitors_config *monitors_config;

	/* last received client_monitors_config */
	struct qxl_monitors_config *client_monitors_config;

	int io_base;
	void *ram;
	struct qxl_mman		mman;
	struct qxl_gem		gem;

	void *ram_physical;

	struct qxl_ring *release_ring;
	struct qxl_ring *command_ring;
	struct qxl_ring *cursor_ring;

	struct qxl_ram_header *ram_header;

	struct qxl_bo *primary_bo;
	struct qxl_bo *dumb_shadow_bo;
	struct qxl_head *dumb_heads;

	struct qxl_memslot main_slot;
	struct qxl_memslot surfaces_slot;

	spinlock_t	release_lock;
	struct idr	release_idr;
	uint32_t	release_seqno;
	atomic_t	release_count;
	wait_queue_head_t release_event;
	spinlock_t release_idr_lock;
	struct mutex	async_io_mutex;
	unsigned int last_sent_io_cmd;

	/* interrupt handling */
	atomic_t irq_received;
	atomic_t irq_received_display;
	atomic_t irq_received_cursor;
	atomic_t irq_received_io_cmd;
	unsigned int irq_received_error;
	wait_queue_head_t display_event;
	wait_queue_head_t cursor_event;
	wait_queue_head_t io_cmd_event;
	struct work_struct client_monitors_config_work;

	/* debugfs */
	struct qxl_debugfs	debugfs[QXL_DEBUGFS_MAX_COMPONENTS];
	unsigned int debugfs_count;

	struct mutex		update_area_mutex;

	struct idr	surf_id_idr;
	spinlock_t surf_id_idr_lock;
	int last_alloced_surf_id;

	struct mutex surf_evict_mutex;
	struct io_mapping *vram_mapping;
	struct io_mapping *surface_mapping;

	/* */
	struct mutex release_mutex;
	struct qxl_bo *current_release_bo[3];
	int current_release_bo_offset[3];

	struct work_struct gc_work;

	struct drm_property *hotplug_mode_update_property;
	int monitors_config_width;
	int monitors_config_height;
};

qxl_device 是QXL DRM驱动中定义的"设备结构体"，代表一个QXL显卡实例，在驱动运行时用于管理显卡的状态、资源、内存和与内核/用户空间交互。它是QXL驱动的核心数据结构，每个被探测到的QXL设备（比如前面说的通过PCI探测）都会分配这样一个结构并初始化，贯穿设备的整个生命周期。

下面看看QXL设备驱动是如何操作QXL设备的。