1.3.3 启动流程-显卡初始化
- kyy
- 1 相关知识
- 1.1 DRM/KMS
- 1.2 framebuffer坐标
- 2 显卡初始化
- 2.1 基本流程
- 2.2 初始化显卡配置
- 2.3 初始化显示屏幕
- 2.4 初始化屏幕回调函数
- 2.4.1 machine-indepent only
- 2.4.2 framebuffer only
- 2.4.3 xfree86 only
- 3 附录
- 3.1 InitOutput函数调用流程
以xorg实现xserver的xfree86代码分析为主，协助开发人员阅读启动流程代码。源代码库：xorg / xserver · GitLab。
相关知识
DRM/KMS
framebuffer：显示服务器填充像素数据,，提供了数据格式，保存在帧缓冲中，待显示的数据，通过DRM_IOCTL_MODE_ADDFB ioctls申请内存。
3种数据格式
RGB：采用RGB三种颜色元组编码像素
YUV：采用亮度和色度编码像素，Y 表示明亮度（Luminance、Luma），而 U 和 V 表示色度（Chrominance、Chroma）
C8：采用换算表将数值映射至RGB元组，用数值编码像素
YUV数据存储格式
Packed：以YUV为单元存储在一起
SemiPlanar：以Y为单元打包成一个平面，以UV为单元打包成一个平面
Planar：将Y，U，V分别打包到不同的平面
CRTC：CRT控制器，对显示buffer进行扫描，并产生时序信号的硬件模块，通常指Display Controller；可将帧缓冲数据扫描至一个或多一个显示器；更新帧缓冲，缩放尺寸等
display timing：至少提供3个信号
Pixel Clock：像素时钟，每个时钟周期发送一个像素
VSYNC：帧同步信号，发送一个VSYNC脉冲，通知显示器开始新的帧缓冲扫描
HSYNC：行同步信号，发送一个HSYNC脉冲，通知显示器开始下一行扫描
page flipping：更新缓冲帧，使用front buffer和back buffer双缓冲功能，在VBLANK间隔中实现翻页功能，交换前后缓冲
Planes：一个平面表示一个帧缓冲，由CRTC将这些平面合成一张图显示，有三种类型
DRM_PLANE_TYPE_PRIMARY：主帧缓冲，一般用于显示背景图或图形，在最底层
DRM_PLANE_TYPE_CURSOR：光标帧缓冲，在最上层，或者隐藏
DRM_PLANE_TYPE_OVERLAY：图层帧缓冲，处于中间的图层，多为动态内容的图层，如：视频，状态栏，系统栏等，现有硬件一般有多个图层硬件平面
Connector：连接物理显示设备的连接器，如HDMI、DisplayPort、DSI总线，通常和Encoder驱动绑定在一起；暴露显示器支持的显示模式；探测显示器的热插拔
Encoder：负责将CRTC输出的timing时序转换成外部设备所需要的信号的模块，如HDMI转换器或DSI Controller
The DRM/KMS subsystem from a newbie’s point of view
Linux DRM Developer's Guide (landley.net)
Kernel Mode Setting (KMS) — The Linux Kernel documentation
framebuffer坐标
framebuffer的空间要比显示区域大，多余空间为弥补显示器换行和换帧切换的耗时。CRTC按固定时钟频率向显示器发送像素，为填充显示器切换时间空挡，需发送一些无用的像素填补。换行比换帧要快。填充像素在两边的数量须相等。
pitch：字节为单位，framebuffer行（宽度）的字节数
offset：字节为单位，第一个显示像素距填充区域水平拉直的字节数。
width：可显示（或渲染）区域的宽度
height：可显示（或渲染）区域的高度
注：pitches和offsets为数组的原因：跟图形数据存储格式相关，以像素为单位存储，则只需第一个描述；以每个颜色为一个平面，RGB的framebuffer有3个平面，则需要前3个元素描述。
显卡初始化
Xorg显卡初始化与运行平台相关，此次描述的显卡初始化流程为xfree86平台，即原生linux硬件平台。实现接口为InitInput，在hw/xfree86/common/common/xf86Init.c文件中。
显卡初始化涉及RANDR、glamor、DRI3、Present等扩展
基本流程
设备扫描和探测显卡设备，xfree86支持两种方式，DDX驱动都需支持这两种方式，首选第一种方式，支持设备的热插拔。
udev系统总线：利用libudev库查找显卡设备
PCI系统总线：利用libpciaccess库遍历PCI总线检测显卡设备
xserver默认使用3中DDX显卡驱动，优先使用modesetting驱动。不同平台使用的驱动框架不同，如，xfree86采用EXA框架，xserver-xsdl使用的使用kdrive框架
modesetting：基于DRM系统的显卡驱动
fbdev：基于framebuffer的显卡驱动
mesa：通用接口标准的显卡驱动，任何显卡都能被驱动
自动生成xserver配置，根据驱动和显卡信息自动生成xorg.conf配置信息，包括显卡设备描述，驱动描述，屏幕布局等信息。
自动生成xserver配置功能由xf86BusProbe、xf86AutoConfig、autoConfigDevice三个函数实现。
显卡驱动的加载由xf86AutoConfig和xf86LoadModules实现。
探测和初始化显卡设备由xf86BusConfig和xf86PostProbe两个函数实现
初始化显卡配置
显卡配置初始化由modesetting的PreInit函数初始化，代码在hw/xfree86/drivers/modesetting/driver.c文件中
打开显卡设备（/dev/dri/card0）文件，并获得master权限
获取连接在显卡的显示器数量，显卡支持的默认颜色深度（depth）和像素位数（bpp），并根据环境设置显卡的颜色深度和像素位数
根据颜色深度设置屏幕每种颜色的位数以及掩码（xf86SetWeight）。对于24位颜色深度来说，RGB每种颜色为8位；30位颜色深度来说，RGB每种颜色为10位。
获取硬件光标的宽度和高度
使能galamor渲染功能
加载glamoregl DDX驱动，初始化modesetting中glamor的回调函数（load_glamor）
调用glamor_egl_init初始化glamor
创建gbm设备，从card0设备中创建（gbm_create_device）
初始化OpenEGL环境，获取渲染设备，平台为EGL_PLATFORM_GBM_MESA，glamor_egl_get_display、eglInitialize、eglBindAPI、eglCreateContext、eglMakeCurrent、glGetString。其依赖的扩展有
required：EGL_KHR_surfaceless_context、EGL_KHR_no_config_context、GL_OES_EGL_image
optional：EGL_EXT_image_dma_buf_import、EGL_EXT_image_dma_buf_import_modifiers
根据显卡设备能力初始化屏幕功能
pageflip：翻页，帧缓冲的更新
prime：涉及内存共享，包括：DRM_PRIME_CAP_IMPORT和DRM_PRIME_CAP_EXPORT能力，涉及缓冲的导入导出。
atomic：原子KMS
tearfree：解决撕裂问题，依赖硬件pageflip，采用damage tracking技术最小化两个buffer之间的拷贝，以及当屏幕内容不变时，省去不必要的翻页。
universal planes：统一平面，不区分framebuffer，cursor和overlay。
framebuffer modifier：帧缓冲修饰符，描述缓冲区熟悉的额外信息，可指定像素格式，内存布局，压缩格式等。（DRM_CAP_ADDFB2_MODIFIERS）
初始化CRTC和Output配置（drmmode_pre_init）
检查设备是否具备创建dump buffer的能力（DRM_CAP_DUMB_BUFFER）
初始化Output：创建xf86OutputPtr（drmmode_output_init），获取显示器信息，初始化数据和回调结构体（drmmode_output_funcs）
初始化CRTC：设置CRTC显示区域范围（xf86CrtcSetSizeRange），创建xf86CrtcPtr数据结构（drmmode_crtc_init），初始化数据和回调结构体（drmmode_crtc_funcs）
设置屏幕的gamma矫正（xf86SetGamma）功能和分辨率（xf86SetDpi）。gamma功能是根据gamma LUT将颜色转换成灰度值，也就是将颜色空间转换成灰度空间，degamma刚好相反
加载fbdev驱动
初始化显示屏幕
调用xf86ScreenInit初始化显示屏幕，直接调用ScreenInit，代码在hw/xfree86/drivers/modesetting/driver.c文件中
向显卡设备申请master权限，drmSetMaster
通过gbm设备创建dump buffer，包括：光标，前端缓冲（front buffer）
设置visual types，包括颜色深度和像素位数；以及pixmap的颜色深度
使用framebuffer扩展初始化显示屏幕的回调函数（fbScreenInit），这些函数主要用于窗口显示
调用GetPictureScreen初始化图片屏幕的回调函数，这些函数主要用于图片渲染
调用glamor_init初始化硬件加速功能
初始化glamor egl screen，使能DRI3，并使用DRI3初始化屏幕回调函数
调用glamor_egl_make_current更新EGL环境中context
required：GL_EXT_texture_format_BGRA8888、GL_OES_texture_border_clamp、GL_ARB_vertex_array_object、GL_OES_vertex_array_object
optional：GL_ARB_instanced_arrays、GL_EXT_gpu_shader4、GL_KHR_debug、GL_MESA_pack_invert、GL_EXT_framebuffer_blit、GL_ARB_map_buffer_range、GL_ARB_buffer_storage、GL_MESA_tile_raster_order、GL_NV_texture_barrier、GL_EXT_unpack_subimage、GL_NV_pack_subimage、GL_ARB_blend_func_extended、GL_EXT_blend_func_extended、GL_ARB_clear_texture、GL_ARB_texture_rg、GL_ARB_debug_output、GL_ARB_texture_swizzle
设置屏幕模式，颜色，分辨率等（glamor_setup_formats）；初始化字体（glamor_font_init）；初始化合成图元（glamor_composite_glyphs_init）。
使用glamor初始化屏幕图形相关回调函数
初始化vbo(vertex buffer object)、vao(vertex array object)等（glamor_init_vbo）；
初始化线性梯度（linear gradient）和径向梯度（radial gradient）着色器（glamor_init_gradient_shader）
初始化同步机制（glamor_sync_init），X扩展XSHM-FENCE
初始化光标，包括软件和硬件光标（miDCInitialize、xf86_cursors_init）
使用glamor初始化屏幕pixmap操作的回调函数
初始化CRTC等提供的旋转和缩放功能（xf86CrtcScreenInit）
安装颜色映射表（drmmode_setup_colormap）
初始化显示器电源管理（xf86DPMSInit）
初始化XV扩展（xf86XVScreenInit）
初始化VBLANK、PageFlip等处理函数（ms_vblank_screen_init）
初始化DRI2扩展的直接渲染功能（ms_dri2_screen_init）
初始化Present扩展的显示操作功能（ms_present_screen_init），通过PageFlip进行翻页显示
更新桌面屏幕的位置和尺寸（update_desktop_dimensions）
亚像素处理，对于非24位深度的像素，需特殊处理（PictureSetSubpixelOrder）
RandR扩展初始化，用于处理缩放，旋转等功能（xf86EnsureRANDR）
配置输出设备结构（xf86AutoConfigOutputDevices），主要是RandR的相关操作的初始化
初始化屏幕远点坐标（xf86InitOrigins），存在多个屏幕虚拟成一个屏幕，或者一个屏幕虚拟成多个屏幕的场景
初始化屏幕回调函数
xserver的screen定义了各种类型的回调函数，支持回调函数注册多个实体函数，以链式的形式存在，先注册后调用，因此注册回调函数时须考虑扩展的注册顺序。
xserver在系统初始化后，调用msBlockHandler_oneshot处理屏幕更新，配置CRTC，然后将BlockHandler回调函数设置为msBlockHandler。
下表列出了screen回调函数注册过程，从左至右注册，从右至左调用。为紧凑表格，将一些插件功能合成一列记录。DestroyWindow、DestroyPixmap和CloseScreen调用层次深在下表后单独列出。所有功能基本都须注册CloseScreen回调函数回收资源。
callback name | framebuffer / mi | damage / RandR | curse/ xfee86 / modesetting | composite | double buffer |
|---|---|---|---|---|---|
CreateWindow | fbCreateWindow |
|
| compCreateWindow |
|
PositionWindow | fbPositionWindow |
|
| compPositionWindow | miDbePositionWindow |
ChangeWindowAttributes | fbChangeWindowAttributes |
|
| compChangeWindowAttributes |
|
RealizeWindow | fbRealizeWindow |
|
| compRealizeWindow |
|
UnrealizeWindow | fbUnrealizeWindow |
|
| compUnrealizeWindow |
|
CopyWindow | fbCopyWindow | damageCopyWindow | miSpriteCopyWindow | compCopyWindow |
|
WindowExposures | miWindowExposures |
| xf86XVWindowExposures |
|
|
MoveWindow | miMoveWindow |
|
| compResizeWindow |
|
ReparentWindow |
|
|
| compReparentWindow |
|
ChangeBorderWidth | miChangeBorderWidth |
|
| compChangeBorderWidth |
|
ConfigNotify |
|
| DRI2ConfigNotify | compConfigNotify |
|
SetWindowPixmap | _fbSetWindowPixmap | damageSetWindowPixmap |
|
|
|
ModifyPixmapHeader | miModifyPixmapHeader |
|
|
|
|
ReplaceScanoutPixmap |
| RRReplaceScanoutPixmap |
|
|
|
SharePixmapBacking | msSharePixmapBacking |
|
|
|
|
SetSharedPixmapBacking | msSetSharedPixmapBacking |
| PixmapStartDirtyTracking |
|
|
StartPixmapTracking | StopPixmapTracking |
| PixmapStopDirtyTracking |
|
|
SharedPixmapNotifyDamage |
|
| msSharedPixmapNotifyDamage |
|
|
RequestSharedPixmapNotifyDamage |
|
| msRequestSharedPixmapNotifyDamage |
|
|
PresentSharedPixmap |
|
| msPresentSharedPixmap |
|
|
StopFlippingPixmapTracking |
|
| msStopFlippingPixmapTracking |
|
|
DisplayCursor | miPointerDisplayCursor |
| CursorDisplayCursor |
|
|
RecolorCursor | miRecolorCursor |
|
|
|
|
QueryBestSize | fbQueryBestSize |
| xf86CursorQueryBestSize |
|
|
ConstrainCursorHarder |
| RRConstrainCursorHarder | xf86RandR13ConstrainCursorHarder |
|
|
ClipNotify |
|
| xf86XVClipNotify | compClipNotify |
|
CreateGC | fbCreateGC | damageCreateGC |
|
|
|
CreateColormap | fbInitializeColormap |
| CMapCreateColormap |
|
|
DestroyColormap |
|
| CMapDestroyColormap |
|
|
StoreColors | PictureStoreColors |
| miSpriteStoreColors / CMapStoreColors |
|
|
SourceValidate | miSourceValidate |
| miSpriteSourceValidate |
|
|
DestroyWindow ： fbDestroyWindow -> PictureDestroyWindow -> damageDestroyWindow -> XvDestroyWindow -> xf86XVDestroyWindow -> compDestroyWindow -> DbeDestroyWindow
DestroyPixmap ： fbDestroyPixmap -> glamor_egl_destroy_pixmap -> damageDestroyPixmap -> XvDestroyPixmap -> ShmDestroyPixmap
CloseScreen ： fbCloseScreen -> PictureCloseScreen -> glamor_egl_close_screen -> dri3_close_screen -> miDCCloseScreen -> damageCloseScreen -> miPointerCloseScreen -> miSpriteCloseScreen -> xf86CursorCloseScreen -> CloseScreen -> RRCloseScreen -> CMapCloseScreen -> XvCloseScreen -> xf86XVCloseScreen -> xf86RandRCloseScreen -> CursorCloseScreen -> compCloseScreen -> dri3_close_screen
machine-indepent only
callback name | machine-indepent |
|---|---|
ValidateTree | miValidateTree |
PaintWindow | miPaintWindow |
MarkWindow | miMarkWindow |
MarkOverlappedWindows | miMarkOverlappedWindows |
XYToWindow | miXYToWindow |
MarkUnrealizedWindow | miMarkUnrealizedWindow |
GetLayerWindow | miGetLayerWindow |
GetScreenPixmap | miGetScreenPixmap |
SetScreenPixmap | miSetScreenPixmap |
HandleExposures | miHandleValidateExposures |
ConstrainCursor | miPointerConstrainCursor |
CursorLimits | miPointerCursorLimits |
RealizeCursor | miPointerRealizeCursor |
UnrealizeCursor | miPointerUnrealizeCursor |
SetCursorPosition | miPointerSetCursorPosition |
DeviceCursorInitialize | miPointerDeviceInitialize |
DeviceCursorCleanup | miPointerDeviceCleanup |
SetShape | miSetShape |
ClearToBackground | miClearToBackground |
CreateScreenResources | miCreateScreenResources |
framebuffer only
callback name | framebuffer |
|---|---|
CreatePixmap | fbCreatePixmap |
GetWindowPixmap | _fbGetWindowPixmap |
GetImage | fbGetImage |
GetSpans | fbGetSpans |
RealizeFont | fbRealizeFont |
UnrealizeFont | fbUnrealizeFont |
UninstallColormap | fbUninstallColormap |
ListInstalledColormaps | fbListInstalledColormaps |
ResolveColor | fbResolveColor |
BitmapToRegion | fbPixmapToRegion |
xfree86 only
callback name | xfree86 |
|---|---|
LoadPalette | loadPalette |
SetOverscan | CMapEnterVT / xf86XVEnterVT |
LeaveVT | xf86XVLeaveVT |
SwitchMode | CMapSwitchMode |
ChangeGamma | CMapChangeGamma |
AdjustFrame | xf86XVAdjustFrame |
ModeSet | xf86XVModeSet |
EnableDisableFBAccess | xf86EnableDisableFBAccess |
SaveScreen | xf86SaveScreen |
附录
InitOutput函数调用流程
回调函数以实际调用函数代替。以xserver源码的xwayland-23版本为基础，显卡驱动为modesetting。若显卡驱动不同，如：Intel、amdgpu、nouveau，驱动相关驱动流程有差异。一般来说，modesetting驱动满足显示要求，渲染部分有OpenGL/EGL使用对应DRI驱动即可。
InitOutput (hw/xfree86/common/common/xf86Init.c) |