良许Linux教程网 干货合集 对于 Display 框架，我需要了解 KMS api 吗？ | Linux 驱动

对于 Display 框架，我需要了解 KMS api 吗？ | Linux 驱动

作者: 良许 516阅读 0评论

KMS，即 Kernel Mode-Setting，是一项用于 Linux 内核的技术，主要用于解决硬件显卡的 Mode-Setting 问题。

在了解 KMS 之前，需要先了解 DRM（Direct Rendering Manager）。最初，DRM 只是为了支持 GPU 而开发的一个工具，并且只负责初始化 GPU 卡、加载其固件并共享 GPU 命令队列，还管理内存（包括内存分配和访问）。

然而，当时的 Mode-Setting（包括更新画面、配置显示管道、屏幕分辨率、色深、刷新率等）是在用户空间中实现的。这种实现方式存在以下缺点：

  1. 渲染和 Mode-Setting 存在竞争关系；
  2. 缺乏统一性和抽象性，不同的硬件平台各自为营。

为了解决这些问题，就引入了 Kernel Mode-Setting（KMS）技术，将 Mode-Setting 的过程移回内核层面。此时，DRM 驱动不仅负责访问 GPU，还负责访问显示引擎，并将 KMS 作为 DRM API 的一部分，以提供标准的显示控制接口。这使得所有的显卡都可以通过标准 Linux 显示堆栈管理局部和全局显示模式，而无需使用特定于平台的代码。

通过将 Mode-Setting 移回内核，不仅可以避免应用程序和内核之间的竞争，还可提供更统一、更抽象的 API。同时，这种技术还可以改善显示性能，因为内核可以更有效地管理硬件资源。

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目前我们关注最左边的路径就好，不用太关注 GEM、PRIME 等概念。
**
图形应用是如何进行显示的？**

通常，一个普通的图形应用并不会直接通过 KMS 和内核进行交互，而是先和 display server (例如给予 X11 的 Xorg, 或者基于 Wayland 的 Weston，也称 display compositor) 进行交互：将显示的图像提交给 display server， 再由 display server 负责将多个 client 图形应用的图像合成成一张图像，并将这张图像通过 KMS 的接口提交给内核。

简而言之，就是 2 个步骤：

step1: 合成

image-20240101191040622
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step2: 提交给内核

640 (1)
640 (1)

**
**何时要用 KMS ?

对于普通的图形应用，一般是不会直接去使用 KMS 的。

只有一些需要 low level control 的应用需要使用 KMS，例如：

  • Display servers;
  • Media players，例如 Kodi，它们有自己的 KMS backend，不需要额外的 display server;
  • 游戏相关的应用，例如 RetroArch，为了支持更多的平台，它们会做到不依赖 display server;
  • VR、XR，它们对性能要求很严格，所以会亲自访问 KMS 以达到最小的延迟;

既然很少直接使用 KMS，为什么还要学习它 ?

  • DRM Driver 的驱动开发人员有必要了解 KMS api，这样才能理解 DRM Driver 的设计目的，从而编写出正确的驱动程序;

  • 理解原理，可以协助我们定位图形应用不稳定或者性能相关的问题，尤其是嵌入式 Linux 领域，显示相关的功能复杂且容易出现异常;

  • 如果你想要为开源软件 Wayland 或者 Kodi 做贡献的话，则需要了解 KMS api;

  • 如果你的应用对性能和延迟性要求很高的话，也需要了解 KMS api。

如何编写 KMS Demo？

要编写 KMS 程序，首先要了解 KMS 的模型。

KMS 将硬件模块抽象成下面几个对象类型：

  • Planes：图层，例如在 rockchip 平台里对应 SOC 内部 VOP 模块的 win 图层;
  • CRTC：显示控制器，例如在 rockchip 平台里对应 SOC 内部的 VOP 模块;
  • Encoder：输出转换器，指 RGB、LVDS、DSI、eDP、HDMI、CVBS、VGA 等显示接口;
  • Connector：连接器，指 encoder 和 panel 之间交互的接口部分;
  • Bridge：桥接设备，一般用于注册 encoder 后面另外再接的转换芯片，如 DSI2HDMI 转换芯片;
  • Panel：泛指屏，各种 LCD、HDMI 等显示设备的抽象;

应用通过 KMS api 将这些对象连接成一条 display pipeline，最终将图像显示在屏幕上：

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点击查看大图

KMS 有两套 api: legacy api (已过时) 和 atomic api：

legacy api 虽说已经过时了，但是它其实是很适合 KMS api 初学者的，因为它仍然是基于 plane、crct、encoder、connector 这些核心概念的。atomic api 只是在 legacy api 基础上进行一些改进，待会会细说。

KMS legacy api 最简单示例：

int main(int argc, char **argv)
{
 int fd;
 drmModeConnector *conn;
 drmModeRes *res;
 uint32_t conn_id;
 uint32_t crtc_id;

 /* open the drm device */
 fd = open("/dev/dri/card0");

 /* get crtc/encoder/connector id */
 res = drmModeGetResources(fd);
 crtc_id = res->crtcs[0];
 conn_id = res->connectors[0];

 /* get connector for display mode */
 conn = drmModeGetConnector(fd, conn_id);

 /* create a dumb-buffer */
 drmIoctl(DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB);

 /* bind the dumb-buffer to an FB object */
 drmModeAddFB(...);

 /* map the dumb buffer for userspace drawing */
 drmIoctl(DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB);
 mmap(...);

 /* start display */
 drmModeSetCrtc(crtc_id, fb_id, connector_id, mode);
}

**
大致的思路是：**

  1. 通过 drmModeGetResources() 获取到 crtc、connector 等对象的 id，然后通过 id 获取到具体的 object;
  2. 通过 ioctl(DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB) 和 drmModeAddFB() 创建 DRM framebuffer object，并获得 fb id;
  3. 通过 ioctl(DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB) 和 mmap() 将 framebuffer 映射到用户空间，应用将自己要显示的内容写到 framebuffer 中;
  4. 将 crtc、connector、fb 的id 通过 drmModeSetCrtc() 告诉 DRM driver，让内核帮我们配置好 display pipeline，从而将 framebuffer 里的内容显示出来;

**
关于 KMS atomic api：**

atomic 的核心思想是将各种设置都保存在一个个的 property 里，最后将所有 property 一次性提交给内核，对于本次 commit 操作，要么成功，要么保持原来的状态完全不变。atomic 的好处在于可以避免操作到一半时中途失败后难以回滚的问题，同时也能避免设置期间屏幕闪烁的问题。

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non atomic

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atomic

下面的代码同样也是将 crtc、connector 等对象连成一条 display pipeline，只不过这次用的是 atomic api。

req = drmModeAtomicAlloc();
drmModeAtomicAddProperty(req, crtc_id, property_active, 1);
drmModeAtomicAddProperty(req, crtc_id, property_mode_id, blob_id);
drmModeAtomicAddProperty(req, conn_id, property_crtc_id, crtc_id);
drmModeAtomicCommit(fd, req, DRM_MODE_ATOMIC_ALLOW_MODESET, NULL);
drmModeAtomicFree(req);

代码虽然增多了，但是能得到更好的用户体验。

**
更多内容：**

KMS 功能比较多，api 也比较多，需要一系列的文章才能描述清楚，网上已经有一个比较好的教程，我就不再详细描述了。

请参考何小龙的 blog：

https://blog.csdn.net/hexiaolong2009/article/details/83720940

相关文章列表：

最简单的DRM应用程序 （single-buffer）
最简单的DRM应用程序 （double-buffer）
最简单的DRM应用程序 （page-flip）
最简单的DRM应用程序 （plane-test）
DRM应用程序进阶 （Property）
DRM应用程序进阶 （atomic-crtc）
DRM应用程序进阶 （atomic-plane）

其他适合学习 KMS 的开源软件

1. drminfo

https://github.com/ascent12/drm_info

drminfo 是一个命令行工具，它可以将系统里 DRM 设备的所有信息都 dump 出来，很适合用于调试。

编译：

$ apt-get install meson ninja-build

$ git clone https://github.com/ascent12/drm_info drm_info

$ cd drm_info

$ meson build/
$ ninja -C build install

用法：

# ./drm_info
Node: /dev/dri/card0
├───Driver: rockchip (RockChip Soc DRM) version 2.0.0 (20140818)
│   ├───DRM_CLIENT_CAP_STEREO_3D supported
│   ├───DRM_CLIENT_CAP_UNIVERSAL_PLANES supported
│   ├───DRM_CLIENT_CAP_ATOMIC supported
│   ├───DRM_CLIENT_CAP_ASPECT_RATIO supported
│   ├───DRM_CLIENT_CAP_WRITEBACK_CONNECTORS supported
│   ├───DRM_CAP_DUMB_BUFFER = 1
│   ├───DRM_CAP_VBLANK_HIGH_CRTC = 1
│   ├───DRM_CAP_DUMB_PREFERRED_DEPTH = 0
│   ├───DRM_CAP_DUMB_PREFER_SHADOW = 0
│   ├───DRM_CAP_PRIME = 3
│   ├───DRM_CAP_TIMESTAMP_MONOTONIC = 1
│   ├───DRM_CAP_ASYNC_PAGE_FLIP = 1
│   ├───DRM_CAP_CURSOR_WIDTH = 64
│   ├───DRM_CAP_CURSOR_HEIGHT = 64
│   ├───DRM_CAP_ADDFB2_MODIFIERS = 1
│   ├───DRM_CAP_PAGE_FLIP_TARGET = 0
│   ├───DRM_CAP_CRTC_IN_VBLANK_EVENT = 1
│   ├───DRM_CAP_SYNCOBJ = 0
│   └───DRM_CAP_SYNCOBJ_TIMELINE not supported
├───Device: platform rockchip,display-subsystem
│   └───Available nodes: primary, render
├───Framebuffer size
│   ├───Width: [0, 8192]
│   └───Height: [0, 8192]
├───Connectors
│   ├───Connector 0
│   │   ├───Object ID: 77
│   │   ├───Type: eDP
│   │   ├───Status: connected
│   │   ├───Physical size: 256x144 mm
│   │   ├───Subpixel: unknown
│   │   ├───Encoders: {0}
│   │   ├───Modes
│   │   │   └───1920x1080@60.00 nhsync nvsync 
│   │   └───Properties
│   │       ├───"EDID" (immutable): blob = 0
│   │       ├───"DPMS": enum {On, Standby, Suspend, Off} = On
│   │       ├───"link-status": enum {Good, Bad} = Good
│   │       ├───"non-desktop" (immutable): range [0, 1] = 0
│   │       ├───"CRTC_ID" (atomic): object CRTC = 54
│   │       ├───"brightness": range [0, 100] = 50
│   │       ├───"contrast": range [0, 100] = 50
│   │       ├───"saturation": range [0, 100] = 50
│   │       └───"hue": range [0, 100] = 50
[...]
├───Encoders
│   ├───Encoder 0
│   │   ├───Object ID: 76
│   │   ├───Type: TMDS
│   │   ├───CRTCS: {0}
│   │   └───Clones: {}
│   ├───Encoder 1
│   │   ├───Object ID: 78
│   │   ├───Type: TMDS
│   │   ├───CRTCS: {0, 1}
│   │   └───Clones: {}
│   └───Encoder 2
│       ├───Object ID: 80
│       ├───Type: TMDS
│       ├───CRTCS: {1}
│       └───Clones: {}
├───CRTCs
│   ├───CRTC 0
│   │   ├───Object ID: 54
│   │   ├───Mode: 1920x1080@60.00 nhsync nvsync 
│   │   ├───Gamma size: 256
│   │   └───Properties
│   │       ├───"ACTIVE" (atomic): range [0, 1] = 1
│   │       ├───"MODE_ID" (atomic): blob = 91
│   │       │   └───1920x1080@60.00 nhsync nvsync 
│   │       ├───"OUT_FENCE_PTR" (atomic): range [0, UINT64_MAX] = 0
│   │       ├───"left margin": range [0, 100] = 100
│   │       ├───"right margin": range [0, 100] = 100
│   │       ├───"top margin": range [0, 100] = 100
│   │       ├───"bottom margin": range [0, 100] = 100
│   │       ├───"ALPHA_SCALE" (atomic): range [0, 1] = 1
│   │       └───"FEATURE" (immutable): bitmask {afbdc} = ()
[...]
└───Planes
    ├───Plane 0
    │   ├───Object ID: 53
    │   ├───CRTCs: {0}
    │   ├───FB ID: 128
    │   │   ├───Object ID: 128
    │   │   ├───Size: 1920x1080
    │   │   ├───Pitch: 7680 bytes
    │   │   ├───Bits per pixel: 32
    │   │   └───Depth: 24
    │   ├───Formats:
    │   │   ├───XRGB8888 (0x34325258)
    │   │   ├───ARGB8888 (0x34325241)
    │   │   ├───XBGR8888 (0x34324258)
    │   │   ├───ABGR8888 (0x34324241)
    │   │   ├───RGB888 (0x34324752)
    │   │   ├───BGR888 (0x34324742)
    │   │   ├───RGB565 (0x36314752)
    │   │   └───BGR565 (0x36314742)
    │   └───Properties
    │       ├───"type" (immutable): enum {Overlay, Primary, Cursor} = Primary
    │       ├───"FB_ID" (atomic): object framebuffer = 128
    │       │   ├───Object ID: 128
    │       │   ├───Size: 1920x1080
    │       │   ├───Pitch: 7680 bytes
    │       │   ├───Bits per pixel: 32
    │       │   └───Depth: 24
    │       ├───"IN_FENCE_FD" (atomic): srange [-1, INT32_MAX] = -1
    │       ├───"CRTC_ID" (atomic): object CRTC = 54
    │       ├───"CRTC_X" (atomic): srange [INT32_MIN, INT32_MAX] = 0
    │       ├───"CRTC_Y" (atomic): srange [INT32_MIN, INT32_MAX] = 0
    │       ├───"CRTC_W" (atomic): range [0, INT32_MAX] = 1920
    │       ├───"CRTC_H" (atomic): range [0, INT32_MAX] = 1080
    │       ├───"SRC_X" (atomic): range [0, UINT32_MAX] = 0
    │       ├───"SRC_Y" (atomic): range [0, UINT32_MAX] = 0
    │       ├───"SRC_W" (atomic): range [0, UINT32_MAX] = 1920
    │       ├───"SRC_H" (atomic): range [0, UINT32_MAX] = 1080
    │       ├───"ZPOS" (atomic): range [0, 3] = 0
    │       ├───"FEATURE" (immutable): bitmask {scale, alpha, hdr2sdr, sdr2hdr, afbdc} = (alpha | afbdc)
    │       ├───"EOTF" (atomic): range [0, 5] = 0
    │       ├───"COLOR_SPACE" (atomic): range [0, 12] = 0
    │       ├───"GLOBAL_ALPHA" (atomic): range [0, UINT8_MAX] = 255
    │       ├───"BLEND_MODE" (atomic): range [0, 1] = 0
    │       ├───"ASYNC_COMMIT" (atomic): range [0, 1] = 0
    │       └───"SHARE_ID" (atomic): range [0, UINT32_MAX] = 53
    [...]

2、libdrm 自带的测试程序：modetest

https://gitlab.freedesktop.org/mesa/drm

modetest 是由 libdrm 提供的测试程序，可以查询显示设备的支持状况，进行基本的显示测试，以及设置显示的模式。

编译：

$ apt-get install meson ninja-build

$ git clone https://gitlab.freedesktop.org/mesa/drm libdrm

$ cd libdrm

$ meson build/
$ ninja -C build install

会生成库文件和测试程序：

libkms
tests/  # 包含 modetest
libdrm.so.2.4.0
libdrm.so.2
libdrm.so

用法：

// 在 edp 屏上显示测试画面
$ modetest -M rockchip -s 77@54:1920x1080
setting mode 1920x1080-60.00Hz on connectors 77, crtc 54

// 在 hdmi 屏上显示测试画面
$ modetest -M rockchip -s 81@65:1920x1080
setting mode 1920x1080-60.00Hz on connectors 81, crtc 65

参数说明：

  • -M：用于指定访问哪个 DRM 设备;
  • -s [,][@]:[#][-][@]：用于在指定的 pipeline 上以某个 mode 显示某个 pattern 的画面。

3、kmscube

https://gitlab.freedesktop.org/mesa/kmscube/

kmscube 是一个演示程序，用于说明如何在没有 X11、wayland 等 compositor 的情况下编写 bare metal 图形应用。它使用了 DRM/KMS（kernel mode setting）、GBM（graphics buffer manager）和 EGL 来使用 OpenGL 或 OpenGL ES 渲染内容。

编译：

$ apt-get install meson ninja-build

$ git clone https://gitlab.freedesktop.org/mesa/kmscube/ kmscube

$ cd kmscube

$ meson build/
$ ninja -C build install

用法：

$ ./kmscube
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kmscube 运行效果

还有很多优秀的开源软件，例如 Wayland 的参考实现 Weston，媒体播放器 Kodi、复古游戏模拟器前端 RetroArch 等，都是我们学习 KMS api 的优秀学习资料，感兴趣的小伙伴可以自行研究一波。

到此，KMS api 的基础知识就介绍完毕了，感谢阅读！

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良许

作者: 良许

良许，世界500强企业Linux开发工程师，公众号【良许Linux】的作者，全网拥有超30W粉丝。个人标签：创业者，CSDN学院讲师，副业达人，流量玩家，摄影爱好者。
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