2. GPU驱动框架概述：Linux DRM子系统架构

在开始实际的GPU驱动移植之前，必须理解承载GPU驱动的软件框架——Linux DRM (Direct Rendering Manager) 子系统。DRM是Linux内核中负责图形显示与GPU管理的核心框架，它向上提供统一的用户空间API，向下抽象各类GPU硬件差异。本章将系统梳理DRM子系统的整体架构，并深入剖析其三大核心组件：GEM、KMS与Framebuffer。

2.1 DRM子系统整体架构

DRM子系统采用分层设计，从用户态到硬件共分为四层。每一层职责清晰，通过标准接口进行交互。

2.2 GEM — 图形执行管理器

GEM (Graphics Execution Manager) 是DRM框架中负责GPU缓冲区对象(BO)管理的核心组件。它提供了一套标准化的内存分配、共享、映射与同步机制。

2.2.1 GEM核心概念

2.2.2 GEM对象生命周期

1. 创建： 驱动实现 gem_create_object() 回调，分配GEM对象与物理内存
2. 句柄导出： 内核生成句柄返回用户空间，用户通过句柄操作对象
3. 共享： 通过flink或PRIME机制在进程/设备间共享
4. 映射： 用户调用mmap将GEM对象映射到自身地址空间
5. 销毁： 引用计数归零时，驱动释放内存

2.3 KMS — 内核模式设置

KMS (Kernel Mode Setting) 是DRM框架中负责显示输出管理的组件。它将显示管线的配置权从用户空间移入内核，确保模式切换的原子性与安全性。

2.3.1 KMS核心对象模型

2.3.2 KMS管线连接关系

一个完整的显示管线从Framebuffer开始，经过Plane合成、CRTC时序生成、Encoder编码、Bridge桥接，最终到达Connector输出。驱动必须正确建立这些对象之间的连接关系。

2.4 Framebuffer — 帧缓冲区

Framebuffer是DRM中表示显示帧的缓冲区对象。它封装了像素数据的格式、尺寸、行宽和内存地址，是KMS管线中数据流的起点。

2.4.1 Framebuffer与GEM的关系

Framebuffer建立在GEM对象之上，一个Framebuffer可以引用一个或多个GEM对象（多平面格式如NV12需要两个平面）。

// Framebuffer核心数据结构
struct drm_framebuffer {
    struct drm_device *dev;
    struct list_head head;
    struct drm_mode_object base;
    const struct drm_framebuffer_funcs *funcs;
    unsigned int pitches[4];        // 每行字节数
    unsigned int offsets[4];        // 平面偏移
    uint64_t modifier;              // 内存布局修饰符
    unsigned int width;             // 像素宽度
    unsigned int height;            // 像素高度
    int flags;
    int hot_y;
    struct drm_gem_object *obj[4];  // 引用的GEM对象
};

2.4.2 Framebuffer创建流程

2.4.3 常见像素格式与修饰符

2.5 DRM驱动核心数据结构

每个DRM驱动都需要实现一个 struct drm_driver 实例，这是驱动与DRM核心交互的契约。

// DRM驱动核心结构体（简化）
static struct drm_driver mygpu_drm_driver = {
    .driver_features = DRIVER_GEM | DRIVER_MODESET | DRIVER_RENDER,
    .gem_create_object = mygpu_gem_create_object,  // GEM对象创建
    .prime_handle_to_fd = drm_gem_prime_handle_to_fd,
    .prime_fd_to_handle = drm_gem_prime_fd_to_handle,
    .gem_prime_import = mygpu_gem_prime_import,
    .gem_prime_import_sg_table = mygpu_gem_prime_import_sg_table,
    .dumb_create = mygpu_dumb_create,              // 创建 dumb buffer
    .dumb_map_offset = mygpu_dumb_map_offset,
    .dumb_destroy = mygpu_dumb_destroy,
    .fops = &mygpu_fops,                           // 文件操作
    .name = "mygpu",
    .desc = "My GPU DRM Driver",
    .date = "20250101",
    .major = 1,
    .minor = 0,
};

2.6 本章小结

本章建立了DRM子系统的整体认知框架：

• 架构分层： 用户空间 → 系统调用 → DRM核心 → 驱动适配 → 硬件抽象
• GEM： 管理GPU缓冲区对象，提供分配、共享、映射、同步机制
• KMS： 管理显示管线，包含CRTC、Encoder、Connector、Plane、Bridge对象模型
• Framebuffer： 基于GEM的帧缓冲区，定义像素格式与内存布局