🏔️ Linux 图形栈全景解析：从 OpenGL 到 DRM/KMS 的完整链路
Linux 图形栈是一个由多层组件组成的体系，从应用层的渲染 API，到用户态驱动，再到内核 DRM/KMS 和最终的显示控制器。
理解这条链路对于嵌入式开发（如 RK3588）、GPU 调优、图形应用开发、Wayland/Qt 系统搭建都至关重要。
本文将从上到下、从 API 到硬件，系统性地讲清楚：
- OpenGL / OpenGL ES
- EGL / GLX
- GBM / GEM / dma-buf
- DRM / KMS
- Mesa / GPU 驱动
- X11 / Wayland / Qt EGLFS
- Headless 渲染（无显示器）
让你彻底掌握 Linux 图形栈的全貌。
🧩 一、渲染 API 层：OpenGL / OpenGL ES / Vulkan
1. OpenGL（桌面图形 API）
- 历史悠久、功能强大、包袱多
- 常用于 PC、工作站
- 依赖 GLX（X11）或 EGL（现代）运行
- 库：
libGL.so
2. OpenGL ES（嵌入式图形 API）
- 精简版 OpenGL
- 强制使用 shader
- 适合 ARM SoC（如 RK3588）
- 库：
libGLESv2.so
3. Vulkan（现代图形/计算 API）
- 低开销、高性能
- Mesa 提供开源 Vulkan 驱动（如 Panfrost Vulkan）
- 适合高性能渲染和 GPU 计算
🧩 二、平台绑定层：GLX / EGL / Vulkan WSI
OpenGL 本身不能直接运行，它需要一个"平台接口"来创建上下文、管理窗口、绑定 GPU。
1. GLX（OpenGL + X11 专用）
- 只能在 X11 上使用
- 旧时代方案
- 不支持 Wayland / DRM / GBM
- 不适合嵌入式
2. EGL（现代通用平台层）
EGL 的作用：
- 创建 OpenGL ES / OpenGL 上下文
- 选择渲染平台（X11 / Wayland / GBM / DRM / Android / PBuffer）
- 创建渲染 surface
- 管理 buffer 交换
EGL 是现代图形栈的核心。
嵌入式平台（RK3588）必须使用 EGL，而不是 GLX。
3. Vulkan WSI（Window System Integration）
- Vulkan 的平台接口
- 支持 X11、Wayland、DRM/KMS、headless
🧩 三、用户态 buffer 层：GBM / dma-buf
1. GBM（Generic Buffer Manager）
- 用户态 buffer 分配器
- 分配 GPU 可用的 buffer
- 分配可 scanout 的 buffer（给 DRM/KMS）
- 支持导出 dma-buf FD
典型用途：
- EGL + GBM（无显示器渲染）
- DRM/KMS 显示
- GPU → V4L2 → NPU 零拷贝
2. dma-buf
- 内核跨子系统共享 buffer 的机制
- 用于 GPU、V4L2、NPU、编码器之间的零拷贝传输
🧩 四、内核显存管理层：GEM / TTM
1. GEM（Graphics Execution Manager）
- 内核 DRM 驱动的显存管理器
- 管理 buffer object
- 管理映射、引用计数
- 支持 dma-buf 导出/导入
2. TTM（Translation Table Manager）
- 更复杂的显存管理方案
- 多用于 AMD GPU
🧩 五、内核显示框架：DRM / KMS
1. DRM（Direct Rendering Manager）
- Linux 内核图形框架
- 提供
/dev/dri/card0（显示节点） - 提供
/dev/dri/renderD128（渲染节点） - 管理 GPU、显存、显示控制器
2. KMS（Kernel Mode Setting）
- 管理显示输出
- 设置分辨率、刷新率
- 管理 CRTC / plane / connector / encoder
- 负责最终把 framebuffer 显示到屏幕
在 RK3588 上：
- 显示控制器是 VOP2
- eDP/HDMI/DP 都通过 DRM/KMS 管理
🧩 六、用户态 GPU 驱动：Mesa
Mesa 是 Linux 图形栈的核心用户态实现。
包含：
- OpenGL / GLES / Vulkan API 实现
- GPU 用户态驱动（UMD）
- 平台接口（EGL、GLX）
- Shader 编译器
- Gallium3D 框架
RK3588 使用：
- Panfrost / Panthor（开源 Mali GPU 驱动）
🧩 七、窗口系统：X11 / Wayland
1. X11（老牌窗口系统）
- 传统桌面系统
- 依赖 GLX 或 EGL
- 性能较差、延迟高
- 不适合嵌入式
2. Wayland（现代窗口系统）
- 替代 X11
- 更高性能、更低延迟
- 需要 compositor（Weston、KWin、Sway、Qt Wayland Compositor）
- 应用通过 EGL + Wayland 渲染
🧩 八、Qt 图形模式：EGLFS / Wayland
1. Qt + EGLFS（嵌入式最常用）
- 无窗口系统
- 直接使用 DRM/KMS + EGL + GBM
- 性能最好
- 适合单应用设备（工控屏、车机、广告机）
链路：
Qt → EGL → GBM → DRM/KMS → 显示器2. Qt + Wayland（多窗口系统）
- Qt 作为 Wayland 客户端
- 需要 compositor
- 适合多应用系统
链路：
Qt → EGL → Wayland → compositor → DRM/KMS → 显示器🧩 九、Headless 渲染（无显示器）
在没有显示器的情况下，也可以使用 GPU 渲染。
1. EGL + PBuffer（最简单）
- 不需要 X11
- 不需要 Wayland
- 不需要 DRM
- 完全离屏
2. EGL + GBM（嵌入式最常用）
- 使用
/dev/dri/renderD128 - 不需要显示器
- 不需要 CRTC/plane
- 可用于 AI 前处理、图像生成、GPU 计算
链路：
OpenGL ES → EGL → GBM → DRM render node → GPU🧩 十、完整图形栈总览图
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 应用层（你写代码） │
│ Qt / SDL / GTK / OpenGL / GLES / Vulkan │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 平台绑定层（GLX / EGL / WSI） │
│ GLX = OpenGL + X11 │
│ EGL = OpenGL ES/OpenGL + 任意平台 │
│ WSI = Vulkan + 任意平台 │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 用户态驱动（Mesa + GPU UMD） │
│ libGL / libGLESv2 / libEGL / Vulkan ICD │
│ Panfrost / Panthor / i965 / amdgpu │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ Buffer 层（GBM / dma-buf / wl_drm） │
│ GBM 分配 buffer，dma-buf 跨子系统共享 │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 内核层（DRM / KMS / GEM / GPU 驱动） │
│ /dev/dri/card0（显示） │
│ /dev/dri/renderD128（渲染） │
│ GEM 管理显存，KMS 管理显示 │
└──────────────────────────────────────────────┘
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────┐
│ 硬件层（GPU + 显示器） │
│ Mali / Intel / AMD / NVIDIA │
│ HDMI / DP / eDP / LVDS │
└──────────────────────────────────────────────┘🧩 十一、总结：一句话记住整个图形栈
- OpenGL/GLES/Vulkan：画图
- EGL/GLX/WSI：把画图 API 接到系统
- Mesa：用户态 GPU 驱动
- GBM/dma-buf：分配和共享 buffer
- DRM/GEM/KMS：内核 GPU/显示框架
- X11/Wayland/EGLFS：窗口系统或直接显示
- VOP2/HDMI/eDP：最终输出到屏幕