Linux DRM基本概念与使用示例（C语言）
一、前言
在本周的工作中为解决客户问题，查看awtk-linux-fb中的源码，其中对于里面关于DRM的内容很感兴趣，请教同事后又上网查了资料，本文对DRM的学习做了总结记录，并以C语言练习了DRM的使用。在此感谢回答我疑问的同事。
注：awtk-linux-fb是AWTK 针对arm-linux平台的移植，github仓库：https://github.com/zlgopen/awtk-linux-fb。
二、什么是DRM
DRM（ Direct Rendering Manager）即直接渲染管理器。它是为了解决多个程序对 Video Card 资源的协同使用问题而产生的。它向用户空间提供了一组 API，用以访问操纵 GPU。
简单理解，DRM是Linux下的图形渲染架构，用来管理显示输出和分配buffer。应用程序可以直接操纵 DRM的 ioctl 或者是用 framebuffer 提供的接口进行显示相关操作。后来封装成了 libdrm 库，让用户可以更加方便的进行显示控制。
三、DRM包含的基本概念
要弄明白 DRM 是怎么把用户的绘图输出到显示屏上，绕不开以下几个概念，具体关系如下图所示：
- Framebuffer
- CRTC
- Encoder
- Connector
- Display Device(LCD)
drm组成
3.1 DRM Framebuffer
它是一块内存区域，可以理解为一块画布，驱动和应用层都能访问它。绘制前需要将它格式化，设定绘制的色彩模式（例如RGB24，YUV 等）和画布的大小（分辨率）。
3.2 CRTC
阴极摄像管上下文。这个看名字很很难懂，但简单的来说他就是显示输出的上下文，可以理解为扫描仪。CRTC对内连接 Framebuffer 地址，对外连接 Encoder，会扫描 Framebuffer 上的内容，叠加上 Planes 的内容，最后传给Encoder。
3.3 Planes
平面。它和 Framebuffer 一样是内存地址。它的作用是干什么呢？打个比方，在电脑上，一边打字聊微信一边看电影，这里对立出来两个概念，打字是文字交互，是小范围更新的 Graphics 模式；看电影是全幅高速更新的 Video 模式，这两种模式将显卡的使用拉上了两个极端。
这时Planes就发挥了很好的作用，它给 Video 刷新提供了高速通道，使 Video 单独为一个图层，可以叠加在 Graphic 上或之下，并具有缩放等功能。
Planes 是可以有多个的，相当于图层叠加，因此扫描仪（CRTC）扫描的图像实际上往往是 Framebuffer 和 Planes 的组合（Blending）。
3.4 Encoder
编码器。它的作用就是将内存的 pixel 像素编码（转换）为显示器所需要的信号。简单理解就是，如果需要将画面显示到不同的设备（Display Device）上，需要将画面转化为不同的电信号，例如 DVID、VGA、YPbPr、CVBS、Mipi、eDP 等。
Encoder 和 CRTC 之间的交互就是我们所说的 ModeSetting，其中包含了前面提到的色彩模式、还有时序（Timing）等。
3.5 Connector
连接器。它常常对应于物理连接器 (例如 VGA, DVI, FPD-Link, HDMI, DisplayPort, S-Video等) ，它不是指物理线，在 DRM中，Connector 是一个抽象的数据结构，代表连接的显示设备，从Connector中可以得到当前物理连接的输出设备相关的信息 ，例如，连接状态，EDID数据，DPMS状态、支持的视频模式等。
四、DRM使用示例（C语言）
根据上文，可以知道 DRM 是一个显示驱动框架，也就是把功能封装成 open/close/ioctl 等标准接口，应用程序调用这些接口来驱动设备，显示数据。本文接下来将从使用者的角度来看，验证和使用DRM驱动。
DRM设备节点 ：DRM 驱动会在/ dev/dri 下创建3个设备节点：
card0
controlD64
renderD128
libdrm库 ：DRM驱动，对用户空间，提供了专门的的调用库libdrm.so，用户空间通过该库可以间接的调用和使用驱动。
4.1 打开设备
/* 打开设备有专门的接口：drmOpen ，但此处为方便，使用open函数 */
int fd = open("/dev/dri/card0", O_RDWR | O_CLOEXEC);
if (fd < 0) {
ret = -errno;
fprintf(stderr, "cannot open '%s': %m\n", node);
return ret;
}
4.2 检查DRM的能力
DRM的能力通过drmGetCap接口获取，用drm_get_cap结构描述：
/** DRM_IOCTL_GET_CAP ioctl argument type */
struct drm_get_cap {
__u64 capability;
__u64 value;
};
int drmGetCap(int fd, uint64_t capability, uint64_t *value)
{
struct drm_get_cap cap;
int ret;
memclear(cap);
cap.capability = capability;
ret = drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_GET_CAP, &cap);
if (ret)
return ret;
*value = cap.value;
return 0;
}
使用示例：
uint64_t has_dumb;
if (drmGetCap(fd, DRM_CAP_DUMB_BUFFER, &has_dumb) < 0 || !has_dumb) {
fprintf(stderr, "drm device '%s' does not support dumb buffers\n",
node);
close(fd);
return -EOPNOTSUPP;
}
4.3 检索Resource
获取Resource具体看以下函数：
drmModeResPtr drmModeGetResources(int fd)
Resource结构封装：
struct drm_mode_card_res {
__u64 fb_id_ptr;
__u64 crtc_id_ptr;
__u64 connector_id_ptr;
__u64 encoder_id_ptr;
__u32 count_fbs;
__u32 count_crtcs;
__u32 count_connectors;
__u32 count_encoders;
__u32 min_width, max_width;
__u32 min_height, max_height;
};
typedef struct _drmModeRes {
int count_fbs;
uint32_t *fbs;
int count_crtcs;
uint32_t *crtcs;
int count_connectors;
uint32_t *connectors;
int count_encoders;
uint32_t *encoders;
uint32_t min_width, max_width;
uint32_t min_height, max_height;
} drmModeRes, *drmModeResPtr;
使用示例：
/* retrieve resources */
int ret = drmModeGetResources(fd);
if (!res) {
fprintf(stderr, "cannot retrieve DRM resources (%d): %m\n",
errno);
return -errno;
}
4.4 获取Connector
_drmModeConnector描述结构：
typedef struct _drmModeConnector {
uint32_t connector_id;
uint32_t encoder_id; /**< Encoder currently connected to */
uint32_t connector_type;
uint32_t connector_type_id;
drmModeConnection connection;
uint32_t mmWidth, mmHeight; /**< HxW in millimeters */
drmModeSubPixel subpixel;
int count_modes;
drmModeModeInfoPtr modes;
int count_props;
uint32_t *props; /**< List of property ids */
uint64_t *prop_values; /**< List of property values */
int count_encoders;
uint32_t *encoders; /**< List of encoder ids */
} drmModeConnector, *drmModeConnectorPtr;
使用示例：
drmModeConnector *conn = drmModeGetConnector(fd, res->connectors[i]);
if (!conn) {
fprintf(stderr, "cannot retrieve DRM connector %u:%u (%d): %m\n",
i, res->connectors[i], errno);
continue;
}
4.5 Encoder
Encoder的结构描述：
typedef struct _drmModeEncoder {
uint32_t encoder_id;
uint32_t encoder_type;
uint32_t crtc_id;
uint32_t possible_crtcs;
uint32_t possible_clones;
} drmModeEncoder, *drmModeEncoderPtr;
使用示例：
if (conn->encoder_id)
drmModeEncoder *enc = drmModeGetEncoder(fd, conn->encoder_id);
}
drmModeEncoderPtr drmModeGetEncoder(int fd, uint32_t encoder_id)
{
struct drm_mode_get_encoder enc;
drmModeEncoderPtr r = NULL;
memclear(enc);
enc.encoder_id = encoder_id;
if (drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_GETENCODER, &enc))
return 0;
if (!(r = drmMalloc(sizeof(*r))))
return 0;
r->encoder_id = enc.encoder_id;
r->crtc_id = enc.crtc_id;
r->encoder_type = enc.encoder_type;
r->possible_crtcs = enc.possible_crtcs;
r->possible_clones = enc.possible_clones;
return r;
}
4.6 CRTC
CRTC结构描述：
struct crtc {
drmModeCrtc *crtc;
drmModeObjectProperties *props;
drmModePropertyRes **props_info;
drmModeModeInfo *mode;
};
typedef struct _drmModeCrtc {
uint32_t crtc_id;
uint32_t buffer_id; /**< FB id to connect to 0 = disconnect */
uint32_t x, y; /**< Position on the framebuffer */
uint32_t width, height;
int mode_valid;
drmModeModeInfo mode;
int gamma_size; /**< Number of gamma stops */
} drmModeCrtc, *drmModeCrtcPtr;
4.7 FrameBuffer
- 创建DUMB Buffer：
ret = drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB, &creq);
if (ret < 0) {
fprintf(stderr, "cannot create dumb buffer (%d): %m\n",
errno);
return -errno;
}
- 添加FrameBuffer：
/* create framebuffer object for the dumb-buffer */
ret = drmModeAddFB(fd, dev->width, dev->height, 24, 32, dev->stride,
dev->handle, &dev->fb);
if (ret) {
fprintf(stderr, "cannot create framebuffer (%d): %m\n",
errno);
ret = -errno;
goto err_destroy;
}
- 准备map：
/* prepare buffer for memory mapping */
memset(&mreq, 0, sizeof(mreq));
mreq.handle = dev->handle;
ret = drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB, &mreq);
if (ret) {
fprintf(stderr, "cannot map dumb buffer (%d): %m\n",
errno);
ret = -errno;
goto err_fb;
}
- 做map操作：
/* perform actual memory mapping */
dev->map = mmap(0, dev->size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,
fd, mreq.offset);
if (dev->map == MAP_FAILED) {
fprintf(stderr, "cannot mmap dumb buffer (%d): %m\n",
errno);
ret = -errno;
goto err_fb;
}
4.8 CRTC的准备
准备函数：drmModeGetCrtc、drmModeSetCrtc
drmModeCrtcPtr drmModeGetCrtc(int fd, uint32_t crtcId)
{
struct drm_mode_crtc crtc;
drmModeCrtcPtr r;
memclear(crtc);
crtc.crtc_id = crtcId;
if (drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_GETCRTC, &crtc))
return 0;
/*
* return
*/
if (!(r = drmMalloc(sizeof(*r))))
return 0;
r->crtc_id = crtc.crtc_id;
r->x = crtc.x;
r->y = crtc.y;
r->mode_valid = crtc.mode_valid;
if (r->mode_valid) {
memcpy(&r->mode, &crtc.mode, sizeof(struct drm_mode_modeinfo));
r->width = crtc.mode.hdisplay;
r->height = crtc.mode.vdisplay;
}
r->buffer_id = crtc.fb_id;
r->gamma_size = crtc.gamma_size;
return r;
}
int drmModeSetCrtc(int fd, uint32_t crtcId, uint32_t bufferId,
uint32_t x, uint32_t y, uint32_t *connectors, int count,
drmModeModeInfoPtr mode)
{
struct drm_mode_crtc crtc;
memclear(crtc);
crtc.x = x;
crtc.y = y;
crtc.crtc_id = crtcId;
crtc.fb_id = bufferId;
crtc.set_connectors_ptr = VOID2U64(connectors);
crtc.count_connectors = count;
if (mode) {
memcpy(&crtc.mode, mode, sizeof(struct drm_mode_modeinfo));
crtc.mode_valid = 1;
}
return DRM_IOCTL(fd, DRM_IOCTL_MODE_SETCRTC, &crtc);
}
4.9 绘制
static void modeset_draw(void)
{
uint8_t r, g, b;
bool r_up, g_up, b_up;
unsigned int i, j, k, off;
struct modeset_dev *iter;
srand(time(NULL));
r = rand() % 0xff;
g = rand() % 0xff;
b = rand() % 0xff;
r_up = g_up = b_up = true;
for (i = 0; i < 50; ++i) {
r = next_color(&r_up, r, 20);
g = next_color(&g_up, g, 10);
b = next_color(&b_up, b, 5);
for (iter = modeset_list; iter; iter = iter->next) {
for (j = 0; j < iter->height; ++j) {
for (k = 0; k < iter->width; ++k) {
off = iter->stride * j + k * 4;
*(uint32_t*)&iter->map[off] =
(r << 16) | (g << 8) | b;
}
}
}
usleep(100);
}
}
五、总结
以上使用示例仅为简单绘制，更详细且严谨的代码请参考：awtk-linux-fb/awtk-port/lcd_linux/lcd_linux_drm.c
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