DRM——学习篇0：概念认识

刚开始学习，记忆不是很好，容易忘，边学边记，阅读的速度会比较慢，看的会比较仔细。
这边主要参考以下博客，前辈们水平很高，写的很详细，详细的知识学习可查看以下链接。
详细请看：
蜗窝科技：http://www.wowotech.net/graphic_subsystem/graphic_subsystem_overview.html
何小龙CSDN：https://blog.csdn.net/hexiaolong2009/article/details/83720940
Younix脏羊CSDN：https://blog.csdn.net/dearsq/article/details/78312052
imtx.me:https://imtx.me/blog/introduce-wayland-2/

概念

DRM（Direct Rendering Manager）即直接渲染管理器，属于图形子系统（graphic subsystem）之一。故先来了解一下什么是图形子系统?
图形子系统是Linux系统中较复杂子系统之一。对下，要管理形态、性能各异的显示相关器件。对上，需向应用程序提供易用、友好、强大的图形界面（GUI，Graphical User Interface）。
又由于硬件设备众多，为方便应用开发，需一个稳定跨平台的API来定义渲染有关的行为和动作，而OpenGL（Open Graphics Library）就是这类API的一种。对上，屏蔽硬件细节，为应用程序提供相对稳定的、平台无关的3D图像处理API（当然，也可以是2D）。对下，指引硬件相关的驱动软件，实现3D图像处理相关的功能。
作为一名初学者，其实我对渲染这个词一直不太清楚，所以搜索了一下（可看知乎-渲染），简单理解就是绘制，最终结果就是形成图片（将内存中的图像数据形成图片）。
硬件加速（Hardware acceleration）：通过特定功能硬件模块处理CPU不擅长的事务，对应的硬件模块称做硬件加速模块。如：计算机中2D渲染一般由CPU完成（也可由专门硬件），但一般3D渲染由显卡（由GPU、显存、电路板，BIOS固件组成）负责。
再了解一下窗口系统（Windowing system）,是GUI的一种（当前计算机设备、智能设备广泛使用的一种），以WIMP （windows、icons、menus、pointer) 的形式，提供人机交互接口。Linux系统中有很多窗口系统的实现，如X Window System、Wayland、Android SurfaceFlinger等，虽形态各异，但思路大致相同。

X Windows System

从上知 X Window System（常称X11）就是窗口系统的一种实现，只提供实现GUI环境的基本框架（定义protocol、基本的图形单元（点、线、面等等）、鼠标键盘等输入设备交互等等），而其他由第三方应用提供(即扩展)，主要包括：
窗口管理器（window manager）：控制应用程序窗口（application windows）的布局和外观，使每个应用程序窗口尽量以统一、一致的方式呈现给用户，如最简单的窗口管理程序–twm（Tab Window Manager）
GUI工具集（GUI widget toolkit）：Windowing system之上的进一步的封装，封装出一些更为便利的GUI接口，方便应用程序使用，如Microwindows、GTK+、QT等等
桌面环境（desktop environment）：应用程序级别的封装，通过提供一系列界面一致、操作方式一致的应用程序，使系统以更为友好的方式向用户提供服务。如:GNOME、KDE等等。
具体扩展实例：
- 要多头显示支持，这个是由"Xinerama"扩展实现的；
- 要有多媒体视频回放的支持，这个是由"X Video"扩展实现的;
- OpenGL的3D支持，则是通过"GL"扩展来实现的；
- Compiz那样的合成桌面特效是怎么弄的？没错，还需要一个新的扩展，它便是：“Composite”；
- 甚至Keyboard的支持，都是通过"X Keyboard Extension"（也就是"XKB"）的！
使用 client-server架构，感觉有点像网络里面的请求者（客户端）-响应者（服务器），它们之间通过一定的通信协议进行交互，client：发送绘图请求，server:响应并处理请求（管理所有输入设备，以及用于输出的显示设备）。如：应用程序作为client，去请求server后，server会响应将在应用程序的窗口上绘制自己的GUI。（不清楚理解的对不对）
来看下X Window系统的架构图：

- X Client：图形应用程序，如Firefox、Pidgin等；
- X Server：你看不见的控制中心；
- Compositor：合成桌面系统，如Compiz；
- Kernel/KMS/evdev：这便是Linux Kernel，后面会提到KMS技术了，其中还有一项evdev，是管理输入设备的。
若想从具体的应用场景了解，可点击链接查看原文imtx.me里面有用浏览器进行详细的描述，而这个过程可描述为：X Client <-> X Server <-> Compositor这三者请求渲染的过程，不是很高效。

Linux系统中图形有关的软件层次

经过以上概念的阐述可得到Linux系统中图形有关的软件层次（图形子系统），具体如下：
以上内容来自蜗窝科技—Linux graphic subsystem和imtx.me—揭开Wayland的面纱（一）：Wayland应运而生详细讲解可点击链接
精简的基本框架，与时俱进只需通过扩展对新技术的支持方便维护,这样的设计非常好，但是C/S的网络构架却备受质疑。

Wayland

A Simple Display Server(一个简单的"显示服务器"),以 Compositor/Client 的结构取而代之，还是直接看原文：imtx.me—揭开Wayland的面纱（二）：Wayland应运而生

DRI

DRI（Direct Render Infrastructure）框架：主要包含两个方面：
一、DRM（Direct Rendering Manager）（在kernel中实现，负责管理显卡和相应的图形存储器[graphics memory]）:主要功能有二：
①统一管理、调度多个应用程序向显卡发送的命令请求，可以类比为管理CPU资源的进程管理（process management）模块。
②统一管理显示有关的memory（memory可以是GPU专用的，也可以是system ram划给GPU的，后一种方法在嵌入式系统比较常用），该功能由GEM（Graphics Execution Manager）模块实现
二、KMS（Kernel Mode Setting）:它要实现的功能较简单，即：显示模式（display mode）的设置，包括屏幕分辨率（resolution）、颜色深的（color depth）、屏幕刷新率（refresh rate）等等。

应用程序想将自身UI界面呈现给用户，需两步骤：
①将UI绘制出来并以一定格式保存在buffer中。（这过程就是常说的“Rendering”）。
②将buffer中的UI数据显示在显示设备上。（这过程一般称作“送显”）。
而操作系统中，应用程序不应该直接访问硬件，通常是：Application<---->Service<---->Driver<---->Hardware。（原因有二：安全性和共享硬件资源,但走的路太多了就显得有些低效）但X server+3D出现后（前面已介绍过，管理所有输入设备，以及用于输出的显示设备），框架变成：

但对于需要高性能的图形设备来说，应用程序直接访问硬件才能实现性能最优，故就给出了一个能直接访问硬件(DRI)的框架:

上面好像讲的都是Rendering有关的内容，那送显呢？还是由display server统一处理比较好，因为显示设备是有限的，多个应用程序的多个界面都要争取这有限的资源，server会统一管理、叠加并显示到屏幕上。而这里叠加的过程，通常称作合成（Compositor）。
以上内容来自蜗窝科技—Linux graphic subsystem2详细讲解可点击链接

DRM

Linux目前主流的图形显示框架，相比FB架构，DRM更能适应当前日益更新的显示硬件.从模块上划分可分为三部分（libdrm、KMS、GEM）:
一、libdrm：对底层接口进行封装，向上层提供通用的API接口，主要是对各种IOCTL接口进行封装。
二、KMS（Kernel Mode Setting）：负责更新画面和设置显示参数。
涉及到的元素有：CRTC，ENCODER，CONNECTOR，PLANE，FB，VBLANK，property
更新画面：显示buffer的切换，多图层的合成方式，以及每个图层的显示位置。
设置显示参数：包括分辨率、刷新率、电源状态（休眠唤醒）等
三、GEM（Graphic Execution Manager）：负责显示buffer的分配和释放，也是GPU唯一用到DRM的地方
涉及到的元素有：DUMB、PRIME、fence

DRM Framebuffer

它是一块内存区域，可以理解为一块画布，驱动和应用层都能访问它。绘制前需要将它格式化，设定绘制的色彩模式（例如RGB24，YUV 等）和画布的大小（分辨率）。

CRTC

阴极摄像管上下文。这个看名字很很难懂，但简单的来说他就是显示输出的上下文，可以理解为扫描仪。CRTC对内连接 Framebuffer 地址，对外连接 Encoder，会扫描 Framebuffer 上的内容，叠加上 Planes 的内容，最后传给Encoder。

Planes

平面。它和 Framebuffer 一样是内存地址。它的作用是干什么呢？打个比方，在电脑上，一边打字聊微信一边看电影，这里对立出来两个概念，打字是文字交互，是小范围更新的 Graphics 模式；看电影是全幅高速更新的 Video 模式，这两种模式将显卡的使用拉上了两个极端。
这时Planes就发挥了很好的作用，它给 Video 刷新提供了高速通道，使 Video 单独为一个图层，可以叠加在 Graphic 上或之下，并具有缩放等功能。
Planes 是可以有多个的，相当于图层叠加，因此扫描仪（CRTC）扫描的图像实际上往往是 Framebuffer 和 Planes 的组合（Blending）。

Encoder

编码器。它的作用就是将内存的 pixel 像素编码（转换）为显示器所需要的信号。简单理解就是，如果需要将画面显示到不同的设备（Display Device）上，需要将画面转化为不同的电信号，例如 DVID、VGA、YPbPr、CVBS、Mipi、eDP 等。
Encoder 和 CRTC 之间的交互就是我们所说的 ModeSetting，其中包含了前面提到的色彩模式、还有时序（Timing）等。

Connector

连接器。它常常对应于物理连接器 (例如 VGA, DVI, FPD-Link, HDMI, DisplayPort, S-Video等) ，它不是指物理线，在 DRM中，Connector 是一个抽象的数据结构，代表连接的显示设备，从Connector中可以得到当前物理连接的输出设备相关的信息，例如，连接状态，EDID数据，DPMS状态、支持的视频模式等。
以上参考天上下橙雨CSDN—Linux DRM基本概念与使用示例（C语言）

以上内容来自何小龙CSDN详细讲解可点击链接

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