2. 帧率基础概念：FPS、刷新率、垂直同步（V-Sync）、帧生成时间（Frame Time）的关系与区别

在 DRM/KMS 显示性能调优中，理解帧率相关的核心概念是第一步。许多开发者容易混淆 FPS、刷新率、垂直同步 和 帧生成时间 这四个术语，导致调优方向错误。本章从 Linux 内核 DRM 驱动视角，厘清它们的定义、关系与区别。

2.1 核心概念定义

2.2 四者关系：从渲染到显示的完整链路

下图展示了从 GPU 渲染帧到显示器最终呈现的完整数据流，以及四个概念在链路中的位置：

2.3 关键区别与 DRM 调优含义

2.3.1 FPS vs 刷新率：谁决定谁？

• 刷新率是硬上限：显示器在硬件层面决定了每秒最多能显示多少帧。例如 60Hz 显示器每秒最多显示 60 帧。
• FPS 是软输出：GPU 渲染能力决定 FPS。若 FPS > 刷新率，多余帧会被丢弃（tearing）或等待（V-Sync）。
• DRM 实践：通过 drmModeGetCrtc() 获取当前 drm_display_mode，其 vrefresh 字段即为硬件刷新率。FPS 需通过用户态工具（如 glxgears、vblank_mode）测量。

2.3.2 帧生成时间 vs FPS：毫秒级波动

• FPS 是平均值：1 秒内帧数的平均，掩盖了单帧抖动。
• Frame Time 是瞬时值：每帧的实际耗时，能暴露卡顿（jank）。
• 数学关系：FPS = 1000 / Frame Time (ms)，但仅当 Frame Time 恒定时成立。实际中 Frame Time 波动导致 FPS 不稳定。

2.3.3 垂直同步（V-Sync）的三种模式

2.4 帧时间与刷新率的数学关系

在 DRM 驱动中，刷新率决定了 vblank 周期（垂直消隐间隔）。帧生成时间与 vblank 周期的关系决定了显示质量：

// 刷新率 60Hz 时的 vblank 周期
vblank_period_ms = 1000 / refresh_rate = 1000 / 60 ≈ 16.67 ms

// 帧生成时间与 vblank 的关系
if (frame_time <= vblank_period_ms) {
    // 帧在 vblank 窗口内完成，无撕裂，FPS = 刷新率
} else if (frame_time > vblank_period_ms) {
    // 帧跨多个 vblank，V-Sync 开启时帧率下降
    // 实际 FPS = 1000 / frame_time (向下取整到 vblank 倍数)
}

2.5 四者对比总结表

2.6 实战：使用 DRM 工具测量四要素

以下命令在 Linux 终端中直接测量四个指标：

# 1. 获取显示器刷新率（DRM 内核态）
cat /sys/class/drm/card0-HDMI-A-1/modes
# 输出示例: 1920x1080@60

# 2. 测量 FPS 和 Frame Time（用户态，需安装）
vblank_mode=0 glxgears  # V-Sync 关闭，测原始 FPS
vblank_mode=1 glxgears  # V-Sync 开启，FPS 上限=刷新率

# 3. 使用 drm_info 查看 crtc 状态
drm_info | grep -A 10 "CRTC"
# 输出包含 vrefresh、vblank 计数等

# 4. 使用 ftrace 追踪帧提交时间
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/events/drm/drm_vblank_event/enable
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace_pipe | grep drm_vblank_event