DRM KMS 子系统（5）Device/demo

文章目录

• [1. drm_device概述](#1. drm_device概述)
• [1.1 核心功能与结构](#1.1 核心功能与结构)
• [1.2 设备生命周期与用户空间交互](#1.2 设备生命周期与用户空间交互)
• [1.3 与 tinydrm 的关系](#1.3 与 tinydrm 的关系)
• [1.4 struct drm_driver](#1.4 struct drm_driver)
• [2. single-buffer demo](#2. single-buffer demo)
• [2.1 main函数](#2.1 main函数)
• [2.2 modeset_create_fb](#2.2 modeset_create_fb)
• [2.3 buffer_object 和 modeset_destroy_fb](#2.3 buffer_object 和 modeset_destroy_fb)
• [3 引用](#3 引用)

1. drm_device概述

drm_device 是 Linux 内核中 DRM（Direct Rendering Manager）子系统的核心数据结构，用于统一描述和管理一个图形显示设备。它充当用户空间应用程序与内核空间 KMS（Kernel Mode Setting）驱动之间的桥梁，负责设备的初始化、注册以及提供用户空间访问接口。

1.1 核心功能与结构

• 设备标识：drm_device 本质上是一个主设备号为 DRM_MAJOR (226) 的字符设备。每个 drm_device 实例通过次设备号区分不同的功能接口。
• 三类次设备：一个 drm_device 通常关联三个次设备节点，分别用于不同的访问目的：
  • Primary (主设备)：DRM_MINOR_PRIMARY，对应 /dev/dri/cardX，是图形应用（如 X Server、Wayland compositor）进行 2D/3D 渲染和模式设置的主要接口。
  • Control (控制设备)：DRM_MINOR_CONTROL，对应 /dev/dri/controlDX，主要用于模式设置（Mode Setting）等管理操作，通常由显示服务器在初始化时独占使用。
  • Render (渲染设备)：DRM_MINOR_RENDER，对应 /dev/dri/renderDX，专为无状态的渲染 API（如 OpenGL、Vulkan）提供接口，允许多个应用并发渲染，无需独占设备。
• 关键成员：其核心结构包含指向对应 drm_driver 的指针、设备私有数据指针、指向三个次设备的指针以及引用计数等。

1.2 设备生命周期与用户空间交互

• 初始化与注册：通过 drm_dev_init() 函数创建并初始化 drm_device 结构，随后调用 drm_dev_register() 完成注册。注册成功后，内核会在 /dev/dri/ 目录下自动创建上述三个设备节点。
• 用户接口：用户空间程序通过标准的系统调用（如 open()、ioctl()、mmap()）操作这些设备节点。这些调用最终会由 drm_driver 中定义的回调函数（如 drm_open、drm_ioctl）处理。
• 调试与状态监控：注册后，内核还会在 /sys/class/drm/ 目录下为每个连接器（connector）创建一系列属性文件，用于监控设备状态，例如：
  • status：显示连接状态（connected/disconnected/unknown）。
  • enabled：指示连接器是否启用。
  • dpms：控制或查询显示器的电源状态（On/Standby/Suspend/Off）。
  • modes：列出显示器支持的分辨率模式。

1.3 与 tinydrm 的关系

drm_device 是 DRM 框架的基础，而 tinydrm 是一个为小型显示控制器（如通过 SPI 接口连接的 LCD 屏幕）设计的辅助库。tinydrm 驱动会内部使用 drm_device 和 drm_simple_display_pipe 等结构来实现其功能，但其代码被设计得极为精简，以便于在资源受限的嵌入式设备上使用。

1.4 struct drm_driver

通过 struct drm_driver 实现其功能

struct drm_driver {
	int (*load) (struct drm_device *, unsigned long flags);
		[...]
	int (*unload) (struct drm_device *);
		[...]
	u32 driver_features;
		[...]
};

• 调用 drm_dev_alloc接口分配drm_device内存并使用drm_dev_init初始化，然后调用drm_dev_register注册一个DRM设备。
• load和unload负责实例化和销毁连接到DRM设备的DRM组件。
• driver_features应该包含DRM_RENDER或DRM_MODE_SET或同时包含两者，具体依赖于DRM设备的features。

2. single-buffer demo

2.1 main函数

主函数如下：

int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	drmModeConnector *conn;
	drmModeRes *res;
	uint32_t conn_id;
	uint32_t crtc_id;
	
	fd = open("/dev/dri/card0", O_RDWR | O_CLOEXEC);
	
	res = drmModeGetResources(fd);
	crtc_id = res->crtcs[0];
	conn_id = res->connectors[0];
	conn = drmModeGetConnector(fd, conn_id);
	buf.width = conn->modes[0].hdisplay;
	buf.height = conn->modes[0].vdisplay;
	
	modeset_create_fb(fd, &buf);
	drmModeSetCrtc(fd, crtc_id, buf.fb_id, 
	0, 0, &conn_id, 1, &conn->modes[0]);
	
	getchar();
	
	modeset_destroy_fb(fd, &buf);
	drmModeFreeConnector(conn);
	drmModeFreeResources(res);
	
	close(fd);
	return 0;
}

流程非常简单，open一个显卡设备，获得其句柄fd，利用drmModeGetResources获取其资源指针res，里面包含了crtc_id、conn_id，选第一个connectors的conn_id，利用drmModeGetConnector获取conn指针，里面包含了相关的显示模式信息，选第一个模式modes[0]，设置对应的framebuffer所需的width和height参数，通过modeset_create_fb(fd, &buf)设置下下去，将会通过内核的系统接口创建一个对应modes[0]的width和height的像素的framebuffer：

2.2 modeset_create_fb

static int modeset_create_fb(int fd, struct buffer_object *bo)
{
	struct drm_mode_create_dumb create = {};
	struct drm_mode_map_dumb map = {};
	
	/* create a dumb-buffer, the pixel format is XRGB888 */
	create.width = bo->width;
	create.height = bo->height;
	create.bpp = 32;
	drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB, &create); 			//（1）
	
	/* bind the dumb-buffer to an FB object */
	bo->pitch = create.pitch;
	bo->size = create.size;
	bo->handle = create.handle;
	drmModeAddFB(fd, bo->width, bo->height, 24, 32, bo->pitch,	//（2）
	bo->handle, &bo->fb_id);
	
	/* map the dumb-buffer to userspace */
	map.handle = create.handle;
	drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB, &map);				//（3）
	bo->vaddr = mmap(0, create.size, PROT_READ | PROT_WRITE,	//（4）
	MAP_SHARED, fd, map.offset);
	
	/* initialize the dumb-buffer with white-color */
	memset(bo->vaddr, 0xff, bo->size);							//（5）
	return 0;
}

（1）创建了一个widthheight 4个字节内存（显存），其句柄返回在create.handle

（2）创建FB object并通过create.handle传递来绑定（1）中创建的内存（显存），返回为fb_id

（3）通过DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB，将create.handle指定的内存（显存）相关数据结构与map.offset相关联

（4）利用map.offset完成create.handle指定的内存的映射，映射到用户空间地址为bo->vaddr

（5）用户可以往bo->vaddr写入任何想要设置的颜色值

2.3 buffer_object 和 modeset_destroy_fb

相关的数据结构struct buffer_object如下：

struct buffer_object {
	uint32_t width;
	uint32_t height;
	uint32_t pitch;
	uint32_t handle;
	uint32_t size;
	uint8_t *vaddr;
	uint32_t fb_id;
};

pitch为一行像素，一般按照4字节对齐，可能和width不相等。

销毁函数如下：

static void modeset_destroy_fb(int fd, struct buffer_object *bo)
{
	struct drm_mode_destroy_dumb destroy = {};
	drmModeRmFB(fd, bo->fb_id);
	munmap(bo->vaddr, bo->size);
	destroy.handle = bo->handle;
	drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_DESTROY_DUMB, &destroy);
}

3 引用

drm-howto/modeset.c from kernel DRM maintainer David Herrmann