linux DRM/KMS 测试工具 modetest、kmscude、igt-gpu-tools (一)

这里整理几个在学习Linux DRM/KMS中用到的工具，modetest、kmscude、igt-gpu-tools。

简介：

modetest

是由libdrm提供的测试程序，可以查询显示设备的支持状况，进行基本的显示测试，以及设置显示的模式。

kmscube

是由mesa3d提供和维护，这是一个基于 KMS/GBM/EGL/OPENGL ES2.0 测试用例。

kmscube is a little demonstration program for how to drive bare metal graphics without a compositor like X11, wayland or similar, using DRM/KMS (kernel mode setting), GBM (graphics buffer manager) and EGL for rendering content using OpenGL or OpenGL ES.

igt-gpu-tools

是一个测试DRM drivers的测试工具集

IGT GPU Tools is a collection of tools for development and testing of the DRM drivers.

测试环境和编译环境：

如未特别注明，所有的程序编译和测试均是在如下环境中进行的：

硬件环境：raspberry Pi 3 Model B

仍将环境：Linux alarm 5.6.13-1-ARCH #1 SMP Sat May 16 21:58:40 MDT 2020 aarch64 GNU/Linux

modetest

代码编译：

libdrm的下载链接：https://dri.freedesktop.org/libdrm/libdrm-2.4.100.tar.bz2

解压代码后，进入目录执行:

# ./configure

# Make -j4

编译完成后会在目录libdrm-2.4.100/tests/modetest下生成 modetest 可执行文件。

modetest示例：

modetest的运行需要root权限。

首先这里给出一组显示示例，命令参数如下：

./modetest -M vc4 -D 0 -a -s 32@140:1920x1080 -P 173@140:1920x1080 -Ftiles

命令执行的console输出：

程序运行效果如下，通过HDM连接的显示器整屏的显示了渐变的斜条纹：

如果你运气不错,那么你能看到与我相同的显示效果，但是如果（likely()）运气差了点，没关系，接下来会详细介绍modetest这些参数的由来。

通过--help参数可以查看modetest支持的全部选项，如下：

./modetest --help

usage: /home/alarm/workspace/linux/libdrm-2.4.100/tests/modetest/.libs/lt-modetest [-acDdefMPpsCvw]

Query options:

-c list connectors

-e list encoders

-f list framebuffers

-p list CRTCs and planes (pipes)

Test options:

-P <plane_id>@<crtc_id>:<w>x<h>[+<x>+<y>][*<scale>][@<format>] set a plane

-s <connector_id>[,<connector_id>][@<crtc_id>]:<mode>[-<vrefresh>][@<format>] set a mode

-C test hw cursor

-v test vsynced page flipping

-w <obj_id>:<prop_name>:<value> set property

-a use atomic API

-F pattern1,pattern2 specify fill patterns

Generic options:

-d drop master after mode set

-M module use the given driver

-D device use the given device

Default is to dump all info.

可以看到参数一共分为3类。

Query options：提供查询操作，用于列举出connectors、encoders、framebuffers，CRTCs and planes，未指定参数时默认输出所有信息。

Test options：设定显示测试的参数。

Generic options: 指定打开设备节点，DRM/KMS对用户层来说是一个标准的linux字符设备，其设备节点路径为/dev/dri/cardX、/dev/dri/renderX（之所有有两个设备节点这，涉及到DRM-Master 和 client相关的内容，这里可以简单的认为它们代表用一个设备）

现在我们来看看如何实现一个这样的需求：通过HDMI连接的显示器输出一副分辨率为1920X1080的pattern图像。

这个需求很明确，通过HDMI输出分辨率为1920X1080的图像，Linux DRM/KMS 内核中的显示组件，如下图所示：

我们要做的就是找出一组connectors、encoders、framebuffers，CRTCs 和 planes的一个组合，使其能完成我们的需求，步骤如下：

1. 找出与HDMI 相连接的connector

2. 在找到connectors后，要找出可与connector匹配的encoder，

3. 找到connector和encoder可用的CRTC，

4. 为CRTC配置合适plane

5. 为plane创建framebuffers，指定framebuffer大小，并填充pattern图像，framebuffer是唯一有用户层创建的内核对象，其余4个对象均是在DRM driver加载时注册的。

这里所谓的“找到”，就是获取各个组件在内核中的id号，即handle值。

handle有点像文件描述符，是一个32bits的整数，某个linux DRM/KMS内核对象通过handle导出，并在接收到用户的handle后找到该内核对象。

首先来找出与HDMI相关的connector，前面提到modetest具有查询功能，而参数-c list connectors能列举出所以的connector，查询结果如下：

sudo ./modetest -M vc4 -c

Connectors:

id encoder status name size (mm) modes encoders

32 31 connected HDMI-A-1 550x310 39 31

modes:

name refresh (Hz) hdisp hss hse htot vdisp vss vse vtot)

1920x1080 60 1920 2008 2052 2200 1080 1084 1089 1125 148500 flags: phsync, pvsync; type: preferred, driver

...

props:

20 CRTC_ID:

flags: object

value: 140

...

47 0 unknown composite-1 0x0 1 46

...

输出了两组connector的详细（原始log较长，这里只截取关键部分），从log中的关键字可知，id=32的connector是与HDMI相连接的，而该connector是与id=31的encoder相连的，并且通过后面的props列表可以当前连接的CRTC_ID=140. modes列表这列出了connector支持的全部参数配置，即：

CRCT(ID=140) --> ENCODER(ID=31) --> CONNECTED(ID=32) --> HDMI

让我们来回顾一下之前的测试命令：

./modetest -M vc4 -D 0 -a -s 32@140:1920x1080 -P 173@140:1920x1080 -Ftiles

对照一下modetest的参数项： -s <connector_id>[,<connector_id>][@<crtc_id>]:<mode>[-<vrefresh>][@<format>]

即 connector_id = 32，crtc_id =140， mode = 1920x1080，encoder和connector通常是一一对应的，在内核中这两者一般也是一同注册的，并通过函数drm_connector_attach_encoder()关联在一起。

mode我们选择了 1920x1080。

所以connector_id、crtc_id、mode就是这样来的。

列出 encoder：

./modetest -M vc4 -e
Encoders:
id        crtc        type        possible crtcs        possible clones
31        140        TMDS        0x00000004        0x00000000
46        0          TVDAC        0x00000004        0x00000000
52        0           Virtual        0x00000002        0x00000000

接下里我们分析-P这个参数的设定，前面已经知道connector_id=32是与crtc_id=140组合的，接下来我们需要为crtc_id=140匹配一个可用的plane id。

列举CRCT和PLANE的命令如下（这里省略了很多内容，因为raspberry Pi 3的vc4 driver支持3个CRCT，每个CRTC又支持10个plane，所以输出内容较多）:

./modetest -M vc4 -D 0 -p

CRTCs:

id fb pos size

58 0 (0,0) (0x0)

99 0 (0,0) (0x0)

140 178 (0,0) (1920x1080)

1920x1080 60 1920 2008 2052 2200 1080 1084 1089 1125 148500 flags: phsync, pvsync; type: preferred, driver

Planes:

id crtc fb CRTC x,y x,y gamma size possible crtcs

173 0 0 0,0 0,0 0 0x00000004

这里我选择了planes_id=173，选择的依据是possible crtcs = 0x00000004，即bit2=1，表示该plane可用于第3个crcts。

如何理解这里的第3个呢？前面说了CRCT都是通过id来标识的，第3个与crtc=140是关联不上的。

简单的理解是按照上述命令输出的CRCT信息顺序编号，比如第3个crct的id=140。

深层次的原因是kernel中，每成功注册成功一个CRCT后，会把它加入到mode_config->crtc_list中，加入的同时它会获得一个index，而这个index基本上就是按CRCT注册的先后顺序来分配的了（crtc->index = config->num_crtc++）。

最后回到我们下面这个命令：

./modetest -M vc4 -D 0 -a -s 32@140:1920x1080 -P 173@140:1920x1080 -Ftiles

-P选项的命令格式：-P <plane_id>@<crtc_id>:<w>x<h>[+<x>+<y>][*<scale>][@<format>]

即 plane_id=173, crct_id=140

<w>x<h>=1920x1080设置分辨率。

设置后我们的连接状况如下：

PLANE(ID=173, W=1920, H=1080)

\ | /

CRCT(ID=140) --> ENCODER(ID=31) --> CONNECTED(ID=32) --> HDMI

buffer的创建是通过函数完成的，大小是从plane相匹配。

framebuffer是在modetest内部分配的，会根据设定的分辨率通过ioctl向驱动程序分配。

剩下的-a 和 -Ftiles两项，

“-a use atomic API“。

-F是指填充一种pattern，后面的值需要在modetest的源码里找，其他可用的值tiles、smpte、plain、gradient。

参考链接：

1.https://www.kernel.org/doc/html/v4.10/gpu/index.html

2.https://gitlab.freedesktop.org/drm/igt-gpu-tools

3.https://gitlab.freedesktop.org/mesa/kmscube

4.https://wiki.st.com/stm32mpu/index.php?title=DRM_KMS_overview&printable=yes#How_to_use_the_framework

kmscube

是由mesa3d提供和维护，这是一个基于 KMS/GBM/EGL/OPENGL ES2.0 测试用例。

kmscude不依赖X11、wayland等窗口系统的简单图像测试程序。

GBM、EGL和OpenGL ES产生图形数据，再经由DRM/KMS显示。

GBM、EGL和OpenGL ES由mesa3D提供相关的库，DRM/KMS通过libdrm库进行访问。

所以kmscude同时包含OpenGL、EGL、GBM和DRM/KMS的基本用法。

代码下载和编译：

下载地址：https://gitlab.freedesktop.org/mesa/kmscube

编译：

meson . build && ninja -C build

编译成功后，build路径下会生成可执行文件：

ls build/

build.ninja kernel.trace kmscube-l.profile kmscube.profile 'kmscube@exe'/ meson-logs/ oprofile_data/ 'texturator@exe'/

compile_commands.json kmscube* kmscube.1.trace kmscube.trace meson-info/ meson-private/ texturator*

测试实例：

进入到build命令，通过如下命令查看kmscude的帮助信息：

./kmscube --help

./kmscube: unrecognized option '--help'

Usage: ./kmscube [-ADfMmSsVv]

options:

-A, --atomic use atomic modesetting and fencing

-c, --count run for the specified number of frames

-D, --device=DEVICE use the given device

-f, --format=FOURCC framebuffer format

-M, --mode=MODE specify mode, one of:

smooth - smooth shaded cube (default)

rgba - rgba textured cube

nv12-2img - yuv textured (color conversion in shader)

nv12-1img - yuv textured (single nv12 texture)

-m, --modifier=MODIFIER hardcode the selected modifier

-p, --perfcntr=LIST sample specified performance counters using

the AMD_performance_monitor extension (comma

separated list, shadertoy mode only)

-S, --shadertoy=FILE use specified shadertoy shader

-s, --samples=N use MSAA

-V, --video=FILE video textured cube (comma separated list)

-v, --vmode=VMODE specify the video mode in the format

<mode>[-<vrefresh>]

基本用法：

sudo ./kmscube -A -D /dev/dri/card0 -M smooth

说明：

-A：DRM/KMS使用atomic模式

-D：指定设备节点，DRM/KMS和GPU是同一个设备节点

-M：指定OpenGL的绘图模式，可选的值包括：smooth、rgba、nv12-2img、nv12-1img

测试结果如下：

参考链接：

.https://gitlab.freedesktop.org/mesa/kmscube

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