【原创】Linux环境下的图形系统和AMD R600显卡编程(2)——Framebuffer、DRM、EXA和Mesa简介
1. Framebuffer
Framebuffer驱动提供基本的显示，framebuffer驱动操作的硬件就是一个显示控制器和帧缓存（一片位于系统主存或者显卡显存）。Framebuffer驱动向应用程序提供/dev/fbx的设备接口，应用程序通过读写这个设备节点实现对显示控制器和帧缓存。
下面这个程序显示了应用程序操作操作framebuffer节点的过程。运行这个程序，将在屏幕上方显示一个正方形（这里省略了错误检查代码）。
1 #include <stdio.h>
2 #include <unistd.h>
3 #include <fcntl.h>
4 #include <sys/mman.h>
5 #include <sys/ioctl.h>
6 #include <linux/fb.h>
7
8 int main ()
9 {
10 int fd;
11 struct fb_var_screeninfo vinfo;
12 struct fb_fix_screeninfo finfo;
13 size_t screensize = 0;
14 int location;
15 char *fbp = NULL, *ptr;
16 int x, y, x0, y0;
17 int i,j;
18 int ret;
19
20 fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);
21 if (fd < 0){
22 fprintf(stderr, "error open fb0\n");
23 return -1;
24 }
25 ret= ioctl(fd, FBIOGET_FSCREENINFO, &finfo ) ;
26 if (ret < 0) {
27 fprintf(stderr, "get fixed screen info error\n");
28 return -1;
29 }
30 ret = ioctl(fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &vinfo);
31 if (ret < 0) {
32 fprintf(stderr, "get variable screen info error\n");
33 return -1;
34 }
35 ret = ioctl(fd, FBIOPAN_DISPLAY,&vinfo);
36 if (ret < 0) {
37 fprintf(stderr, "pan display failed\n");
38 return -1;
39 }
40 screensize=vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel /8 ;
41 fbp = (char *)mmap(NULL, screensize, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
42 if (fbp == MAP_FAILED) {
43 fprintf(stderr, "mapped error\n");
44 return -1;
45 }
46 x0 = 200;
47 y0 = 200;
48 ptr = fbp + y0 * finfo.line_length + x0 * vinfo.bits_per_pixel / 8;
49 for( i = 0; i < 100; i++){
50 char* tmp_ptr = ptr;
51 for(j = 0; j < 100; j++){
52 *tmp_ptr++ = 0;
53 *tmp_ptr++ = 255;
54 *tmp_ptr++ = 0;
55 *tmp_ptr++ = 0;
56 }
57 ptr += finfo.line_length;
58 }
59 munmap(fbp,screensize);
60 close(fd);
61 return 0;
62 }
应用程序对framebuffer的操作主要是通过ioctl和mmap完成的。mmap将显存映射到用户空间。25行和30行分别获取当前framebuffer驱动的“固定参数”和“可变参数”，这两个参数包含了当前显示控制其的一些信息，可变参数主要是当前分辨率信息，固定参数主要是当前显存的地址。35行FBIOPAN_DISPLAY通常用于双缓存，但是这里使用还有其它意义，在后面讨论drm的framebuffer的时候还会具体讨论。41行将显存映射出来，51-59行操作这片显存，往上绘制一个左上方坐标为（200,200）,边长为100的正方形。
应用程序能够使用这些ioctl是因为内核提供了相应的接口，Linux内核设备驱动相关的书籍都会讨论framebuffer驱动，这里不讨论如何写一个framebuffer驱动。
2. DRM驱动
前一篇博文的图4内核里面是drm驱动，注意到和图3的区别，单独的FB driver已经没有了，而是被集合到了drm驱动里面。在一些只要求进行进本显示的嵌入式系统上，依然会使用单独的framebuffer驱动，而对于内核中有3D加速的AMD、intel等驱动，内核里面和显示有关的功能已经集合到了drm驱动里面。在AMD/intel显卡+Xorg+3D这样配置的开源Linux系统上，Xorg并不使用，但是系统中仍然有/dev/fb0这样的设备节点，如果我们在桌面环境下“cat xxx >/dev/fb0”，系统不会有变化。然而如果将xorg.conf的Driver修改成“fbdev”，重启Xorg，在执行操作，能够看到有变化（关于Xorg.conf可以参考"man xorg.conf"，或者查看这个页面）。或者切换到控制台终端“Ctrl+Alt+Fn”，然后运行同样的命令，就能够看到屏幕上的内容发生了变化，在这篇博文的第一节的程序有一个FBIOPAN_DISPLAY调用，这个调用会使得显卡的Crtc指向的显存地址发生变化而将当前的显示区域切换到fb0设备节点对应的区域，因此上面的程序运行即使在X桌面环境下运行，也能够看到屏幕发生了变化。这提示我们在核外X驱动正常运行的情况下，核外X驱动并不使用framebuffer驱动（实际上drm驱动注册的frambuffer设备只是给内核使用），在X启动运行后，不使用framebuffer 管理的那片内存的内容作为显示输出，而是使用了另外一片内存。
当前的Linux系统上内核的显卡驱动称为drm驱动，在通常的linux内核发行版上，我们使用lsmod命令查看内核模块，能够看到类似下面的信息：
radeon 933054 3
ttm 45600 1 radeon
drm_kms_helper 22468 1 radeon
drm 162230 5 radeon,ttm,drm_kms_helper
i2c_algo_bit 5055 2 i2c_gpio,radeon
机器使用的是AMD的radeon显卡，上面显示了当前系统内核和显卡驱动相关的模块，drm模块是内核drm驱动的基础架构，所有drm显卡驱动都会加载这个内核模块，ttm是ttm内核管理机制，drm_kms_helper是内核模式的基础框架代码，i2c_algo_bit是显卡上操作i2c设备使用的模块，显卡上的i2c设备主要包括了connector，encoder以及pll时钟芯片。Drm内核驱动的代码在内核源码目录drivers/gpu/drm下面。加载了drm驱动后，在/dev目录下面会生成如下设备节点：
/dev/char/226:0 -> ../dri/card0
/dev/char/226:64 -> ../dri/controlD64
/dev/dri/card0
/dev/dri/controlD64
其中/dev/dri/card0是操作gpu的接口，发送命令等操作都是通过对这个设备节点进行的。/dev/dri/controlD64是kms相关的设备节点。
通常核外的驱动程序使用ioctl调用同内核进行交互，linux系统上核外对drm的ioctl进行了一层封装，即libdrm，应用程序通过libdrm调用操作硬件，关于drm的调用，这里有一些比较好的示例代码 https://github.com/dvdhrm/docs，这份代码主要调用libdrm进行模式设置，有详细的注释。
Linux下的图形驱动的主要部分是核外部分，核外部分包括了xorg exa驱动以及mesa 3d 驱动，exa是传统的2D加速框架，mesa 3d驱动则是针对3D驱动的硬件加速。由于历史原因，在Fedora 16以及更早和稍后的系统上，即使现在硬件上不包含单独的2D部件2D功能是由3D部件实现的，但是2D驱动和3D仍然是分离的。
3. EXA驱动
早期的2D加速驱动使用的是XAA、KAA架构，但是随着composite扩展的加入，新的exa框架产生了，EXA删除掉了原来2D驱动中的三角形绘制、线绘制等一些现在没什么用处的功能，取而代之的是三个加速功能：矩形填充（Solid）、拷屏操作（Copy/Blt）和混合操作（Composite）。
“XFree86 server 4.x Design (DRAFT)”文详细介绍xorg驱动需要提供的接口，EXA驱动通过扩展的形式添加并编译到xorg驱动中。在后续的blog文章里面将介绍exa驱动接口，并使用radeon的exa驱动来描述显卡驱动编程过程。
4. 3D驱动
在linux环境中，我们可以通过glxinfo命令插卡3D硬件图形加速是否可用。比如在radeon显卡上glxinfo的输出包含以下内容：
OpenGL renderer string: Gallium 0.4 on AMD CEDAR
这里显示使用AMD CEDAR核心的显卡进行opengl 3d加速，如果硬件加速不可用，则应当是“vmware on llvmpipe”这类字眼。
开源的OpenGL实现是mesa，mesa向上提供OpenGL接口，下层通过硬件的mesa驱动和硬件交互。GLX是X协议的扩展，用于OpenGL和X的交互（GLX规范）。在mesa源码包中包含了大量的opengl示例程序，包括OpenGL红宝书中的示例代码、调用GLUT或者GLX接口的代码、调用EGL的代码等。
图1
图1显示了一个3D应用程序运行的过程，OpenGL绘图程序命令被用户空间的mesa驱动翻译成对应GPU的绘图命令放入命令缓冲区中，其他的如顶点信息/纹理信息/索引信息放入到相应缓冲中，mesa驱动为每个应用程序保存了当前的绘图状态，当发生3D程序切换，当前状态被保存下来，当下次调度该程序运行的时候，先恢复该程序的绘图状态到硬件上，然后继续执行命令缓存中的命令。当用户空间调用发送命令到内核的时候，内核驱动对硬件进行编程从该程序的命令缓冲区中取命令开始执行。这个过程是在dri框架下实现的，这里的所有绘制过程并不请求X，OpenGL直接将命令发送给硬件。GLX在初始化窗口，申请buffer和切换buffer的时候才会和X交互。
图1来自文献“Graphic Engine Resource Management”，这篇文章描述了对早期的内核drm驱动做的一些改进，在这篇硕士论文“A Fair-Share Scheduler for the Graphics Processing Unit”对一些问题有更清楚的描述。
其他参考资料：
DRM and KMS kernel modules 描述了drm驱动和kms的一些细节。
