Linux DRM KMS显示控制器驱动开发与适配 - 第2节

2.1 DRM 架构概览

DRM（Direct Rendering Manager）是 Linux 内核中负责图形显示与渲染管理的核心框架。它向上提供统一的用户空间接口（通过 /dev/dri/card0 等设备节点），向下抽象各类显示控制器硬件。KMS（Kernel Mode Setting）是 DRM 框架中专门负责显示模式设置与输出管理的子系统。

2.2 五大核心组件详解

KMS 将显示输出链路抽象为五个核心组件，它们共同构成一条完整的显示管线。每个组件在 drm_mode_config 结构中注册，并通过 ID 相互关联。

2.2.1 Framebuffer（帧缓冲区）

Framebuffer 是 DRM 中最基础的内存对象，它封装了一块用于存储像素数据的 DMA 缓冲区。用户空间通过 drm_mode_addfb2 创建 Framebuffer，内核驱动负责将其绑定到具体的显存地址。

struct drm_framebuffer {
    struct drm_device *dev;
    struct drm_mode_object base;
    const struct drm_framebuffer_funcs *funcs;
    unsigned int width;          // 像素宽度
    unsigned int height;         // 像素高度
    unsigned int pitches[4];     // 每行字节数（支持多平面）
    unsigned int offsets[4];     // 平面偏移
    uint32_t format;             // 像素格式（如 DRM_FORMAT_XRGB8888）
    uint64_t modifier;           // 内存布局修饰符（如 AFBC、线性）
    struct drm_gem_object *obj[4];
};

2.2.2 Plane（硬件图层）

Plane 是 KMS 中负责图层合成的组件。每个 Plane 对应一个硬件图层，支持独立的 Framebuffer 绑定、位置调整、缩放和透明度混合。现代 SoC 显示控制器通常包含 3 类 Plane：

• Primary Plane： 主图层，必须存在，通常用于显示桌面背景或主应用界面。
• Overlay Plane： 叠加图层，用于视频播放、UI 弹窗等，支持硬件 Alpha 混合。
• Cursor Plane： 光标图层，硬件光标，支持快速移动而不重绘整个画面。

struct drm_plane {
    struct drm_device *dev;
    struct drm_crtc *crtc;           // 当前绑定的 CRTC
    struct drm_crtc *possible_crtcs; // 可绑定的 CRTC 位掩码
    uint32_t type;                   // DRM_PLANE_TYPE_PRIMARY / OVERLAY / CURSOR
    unsigned int format_count;
    const uint32_t *format_list;     // 支持的像素格式列表
    struct drm_plane_state *state;   // 当前状态
};

2.2.3 CRTC（显示控制器核心）

CRTC（Cathode Ray Tube Controller，历史名称沿用）是显示管线的核心调度器。它负责从绑定的 Plane 读取像素数据，生成符合显示器要求的时序信号（Hsync、Vsync、像素时钟），并驱动 Encoder 输出。

2.2.4 Encoder（信号编码器）

Encoder 将 CRTC 输出的并行 RGB/YCbCr 数据转换为特定显示接口所需的串行信号。常见的 Encoder 类型包括：

• TMDS Encoder： 用于 HDMI/DVI，将像素数据编码为 TMDS 差分信号。
• DisplayPort Encoder： 将数据打包为 DP 微包，支持多流传输（MST）。
• DSI Encoder： 用于 MIPI DSI 接口，输出串行命令/像素流。
• LVDS Encoder： 用于传统 LCD 屏，输出低压差分信号。

struct drm_encoder {
    struct drm_device *dev;
    struct drm_crtc *crtc;           // 当前绑定的 CRTC
    unsigned int possible_crtcs;     // 可绑定的 CRTC 位掩码
    unsigned int possible_clones;    // 可克隆的 Encoder 位掩码
    enum drm_encoder_type encoder_type; // DRM_MODE_ENCODER_TMDS / DSI / LVDS / DP
};

2.2.5 Connector（物理连接器）

Connector 是显示输出链路的最末端，直接对应物理接口。它负责检测显示器连接状态、读取 EDID 数据、提供可用显示模式列表，并管理电源控制（如 DPMS）。

struct drm_connector {
    struct drm_device *dev;
    struct drm_encoder *encoder;     // 当前绑定的 Encoder
    enum drm_connector_status status; // connected / disconnected / unknown
    struct edid *edid_blob_ptr;      // 缓存的 EDID 数据
    struct drm_display_mode *modes;  // 可用模式链表
    int (*get_modes)(struct drm_connector *connector);
    int (*detect)(struct drm_connector *connector, bool force);
};

2.3 组件连接关系与显示管线

五个组件按照 Framebuffer → Plane → CRTC → Encoder → Connector 的顺序串联，形成完整的显示管线。用户空间通过 Atomic Commit 或 Legacy SetConfig 接口配置这条管线。

2.4 组件注册与初始化流程

在显示控制器驱动的 bind 或 probe 函数中，需要按以下顺序注册 KMS 组件：

1. 初始化 drm_mode_config： 调用 drm_mode_config_init，设置 min_width/height、max_width/height 等硬件限制。
2. 注册 CRTC： 调用 drm_crtc_init_with_planes，绑定 Primary 和 Cursor Plane。
3. 注册 Plane： 调用 drm_universal_plane_init，指定支持的像素格式和类型。
4. 注册 Encoder： 调用 drm_encoder_init，设置 possible_crtcs 位掩码。
5. 注册 Connector： 调用 drm_connector_init，指定 Connector 类型和 drm_connector_funcs。
6. 建立连接： 调用 drm_connector_attach_encoder 将 Connector 绑定到 Encoder。
7. 注册模式配置： 调用 drm_mode_config_reset 初始化默认状态。

static int my_display_bind(struct drm_device *drm)
{
    // 1. 初始化 mode_config
    drm_mode_config_init(drm);
    drm->mode_config.min_width = 320;
    drm->mode_config.max_width = 4096;
    drm->mode_config.min_height = 240;
    drm->mode_config.max_height = 2160;

    // 2. 注册 Plane
    drm_universal_plane_init(drm, &primary_plane, 0xFF,
                             &primary_plane_funcs, formats, num_formats,
                             DRM_PLANE_TYPE_PRIMARY, NULL);

    // 3. 注册 CRTC
    drm_crtc_init_with_planes(drm, &crtc, &primary_plane, &cursor_plane,
                              &crtc_funcs, NULL);

    // 4. 注册 Encoder
    drm_encoder_init(drm, &encoder, &encoder_funcs,
                     DRM_MODE_ENCODER_TMDS, NULL);

    // 5. 注册 Connector
    drm_connector_init(drm, &connector, &connector_funcs,
                       DRM_MODE_CONNECTOR_HDMIA);

    // 6. 建立连接
    drm_connector_attach_encoder(&connector, &encoder);

    // 7. 重置配置
    drm_mode_config_reset(drm);

    return 0;
}

2.5 组件间的状态依赖关系

KMS 组件之间存在严格的状态依赖链。在进行 Atomic Check 时，DRM 核心会验证以下约束：