4. CRTC 与 Plane 模型：时序生成、图层叠加与硬件差异

CRTC（Cathode Ray Tube Controller）与 Plane（图层）是 DRM/KMS 框架中负责显示时序生成与像素数据合成的核心硬件抽象层。CRTC 控制扫描时序与刷新率，Plane 管理图层叠加与透明度混合。理解两者的协作模型是进行帧率配置与显示性能调优的基础。

4.1 CRTC 时序生成模型

CRTC 模拟传统 CRT 显示器的扫描过程，生成精确的像素时钟、水平同步（HSync）、垂直同步（VSync）以及消隐区间（Blanking）。这些时序参数共同决定了显示器的刷新率与分辨率。

4.1.1 时序参数与帧率计算

帧率（刷新率）由以下公式计算：

Pixel Clock (MHz) = Horizontal Total (pixels) × Vertical Total (lines) × Refresh Rate (Hz)

Refresh Rate = Pixel Clock / (HTOTAL × VTOTAL)

其中 HTOTAL = HActive + HFrontPorch + HSyncWidth + HBackPorch，VTOTAL 同理。

4.1.2 CRTC 状态机与 VBlank

CRTC 在扫描过程中会进入 VBlank（垂直消隐）区间，这是驱动更新帧缓冲（Flip）的安全窗口。在 VBlank 期间更新 Plane 的 framebuffer 可以避免撕裂（Tearing）。

// 等待 VBlank 的典型用户态调用
int fd = open("/dev/dri/card0", O_RDWR);
drm_wait_vblank_t vblank;
memset(&vblank, 0, sizeof(vblank));
vblank.request.type = DRM_VBLANK_RELATIVE;
vblank.request.sequence = 1;
ioctl(fd, DRM_IOCTL_WAIT_VBLANK, &vblank);

4.2 Plane 图层叠加模型

Plane 是 DRM 中表示独立图层的抽象。每个 Plane 拥有自己的 framebuffer、位置、尺寸、透明度（alpha）和颜色转换矩阵。CRTC 从多个 Plane 读取像素数据，按照 Z-order 顺序混合后输出到显示器。

4.2.1 图层叠加流程

1. Primary Plane：作为背景层，通常包含完整的桌面或游戏画面。
2. Overlay Plane：叠加在 Primary 之上，用于视频播放、UI 弹窗等，支持缩放与颜色空间转换。
3. Cursor Plane：硬件光标层，具有最低延迟，通常只支持小尺寸（64×64 或 128×128）且无需 framebuffer 切换。

4.3 Primary / Cursor / Overlay Plane 的区别

三种 Plane 在硬件能力、使用场景和性能特性上存在显著差异。驱动通过 drm_plane 结构体暴露这些能力，用户态通过 DRM_IOCTL_MODE_GETPLANERESOURCES 查询。

4.4 Plane 与 CRTC 的绑定关系

在 DRM 中，Plane 必须绑定到特定的 CRTC 才能生效。绑定操作通过 drmModeSetPlane 或 atomic commit 完成。一个 CRTC 可以绑定多个 Plane，但每个 Plane 同一时刻只能绑定到一个 CRTC。

// 使用 atomic API 将 Overlay Plane 绑定到 CRTC
struct drm_mode_atomic atomic;
struct drm_atomic_state *state;

state->planes[overlay_plane_id].fb_id = fb_id;
state->planes[overlay_plane_id].crtc_id = crtc_id;
state->planes[overlay_plane_id].src_x = 0;
state->planes[overlay_plane_id].src_y = 0;
state->planes[overlay_plane_id].src_w = 1920 << 16;
state->planes[overlay_plane_id].src_h = 1080 << 16;
state->planes[overlay_plane_id].crtc_x = 0;
state->planes[overlay_plane_id].crtc_y = 0;
state->planes[overlay_plane_id].crtc_w = 1920;
state->planes[overlay_plane_id].crtc_h = 1080;

drmModeAtomicCommit(fd, &atomic, DRM_MODE_ATOMIC_ALLOW_MODESET, NULL);

4.5 帧率配置与 Plane 的协同

帧率配置不仅依赖 CRTC 的时序参数，还受 Plane 更新频率的影响。当 Overlay Plane 频繁更新 framebuffer（如 60fps 视频）时，CRTC 的 VBlank 中断频率决定了实际交付帧率。

• 同步更新： 所有 Plane 在 VBlank 中断中同时切换 framebuffer，保证画面一致性。
• 异步更新： Cursor Plane 可以绕过 VBlank 直接更新，适用于高 DPI 鼠标移动。
• 帧率降级： 如果 Overlay Plane 的 framebuffer 更新速度低于 CRTC 刷新率，驱动会重复显示最后一帧，导致视觉卡顿。