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Linux graphics stack

 

现代 Linux 图形栈由多个子系统和层次组成，从应用程序到硬件之间的各个层面协同工作来处理图形显示和硬件加速。随着时间的推移，Linux 从传统的 **X Window System** 逐步过渡到 **Wayland**，并引入了诸如 **Mesa** 和 **DRM** 等关键组件。以下是现代 Linux 图形栈的主要组成部分及其作用：

### 1. **应用程序层**
   - **应用程序**：用户使用的图形应用程序，如 Web 浏览器、视频播放器、游戏等，它们通过图形库调用底层的图形 API 来执行渲染操作。
   - **图形工具包**：应用程序通常使用图形工具包（如 **GTK**、**Qt**）来构建用户界面，这些工具包负责处理窗口、按钮、文本框等 UI 元素的渲染。

### 2. **图形 API**
   - **OpenGL / OpenGL ES**：这是一个跨平台的图形渲染 API，常用于 2D 和 3D 渲染任务，广泛应用于桌面和嵌入式设备。
   - **Vulkan**：现代的图形 API，提供了更低层次的硬件访问和更好的性能控制，适合需要高性能的应用（如游戏和图形密集型应用）。
   - **Direct Rendering Interface (DRI)**：用于允许直接从用户空间进行图形渲染，而不需要通过内核。Mesa 实现了 DRI 驱动程序，允许应用程序与 GPU 直接交互。

### 3. **Mesa 3D 图形库**
   - **概述**：Mesa 是一个实现了多种图形 API（如 OpenGL、Vulkan、OpenCL）的开源库，它通过实现这些 API 来允许应用程序使用硬件加速的图形渲染。
   - **作用**：
     - **OpenGL 实现**：Mesa 提供对 OpenGL 和 OpenGL ES 的支持，供桌面和嵌入式设备使用。
     - **Vulkan 实现**：Mesa 中也包含对 Vulkan 的开源实现（如 **RADV** 和 **ANV** 驱动程序，分别针对 AMD 和 Intel GPU）。
     - **驱动程序接口**：Mesa 包含多个硬件驱动程序，与不同厂商的 GPU 直接交互，如 **Intel**、**AMD** 和 **NVIDIA**（通过 Nouveau 开源驱动）。
   - **Gallium3D**：Mesa 的一个子项目，是一种抽象层，它简化了为新 GPU 编写驱动程序的难度。

### 4. **显示服务器**
   - **X Window System (X11)**：这是 Linux 的传统显示服务器协议，X11 提供了图形和输入设备的处理。它管理屏幕上的窗口，处理应用程序的图形请求，并进行渲染。
     - **问题**：X11 架构复杂，过度依赖中介层，尤其在处理硬件加速和输入事件方面存在瓶颈。
   - **Wayland**：Wayland 是现代 Linux 图形系统的显示服务器协议，它简化了 X11 中的许多中介角色，让应用程序直接与合成器（compositor）通信，从而提高性能和安全性。
     - **特点**：Wayland 没有中间的 X 服务器，窗口管理和合成全部由 **compositor** 处理，输入事件也更加高效。

### 5. **合成器 (Compositor)**
   - **合成器**：合成器负责将不同应用程序的窗口内容合成并显示在屏幕上，同时管理用户输入事件。合成器是现代图形系统的核心，直接控制屏幕内容。
   - **常见合成器**：
     - **Weston**：Wayland 协议的参考实现，主要用于开发和测试。它是一个轻量级的合成器。
     - **Mutter**：GNOME 桌面的合成器，支持 Wayland 和 X11。
     - **KWin**：KDE 桌面的合成器，也支持 Wayland 和 X11。
   - **作用**：合成器负责处理应用程序的窗口渲染，管理输入事件（如鼠标和键盘），并最终将所有内容合成显示到屏幕上。

### 6. **Direct Rendering Manager (DRM)**
   - **概述**：DRM 是 Linux 内核的子系统，管理 GPU 和显示输出。它负责处理显示缓冲区、显存管理、硬件上下文和显示模式设置。
   - **KMS (Kernel Mode Setting)**：KMS 是 DRM 的一部分，允许内核控制显示模式设置（如分辨率和刷新率），取代了用户空间中的模式设置。
   - **作用**：
     - **显存管理**：管理图形数据在 GPU 和显存之间的分配和传输。
     - **显示输出**：控制显示设备（如显示器、HDMI）的初始化和数据传输。

### 7. **硬件加速**
   - **GPU 驱动程序**：由 Mesa 提供的开源 GPU 驱动（如 Intel、AMD 的驱动）或专有驱动（如 NVIDIA 的专有驱动）直接与硬件交互，实现硬件加速的图形渲染。
   - **Vulkan、OpenGL** 的硬件加速依赖于这些驱动程序提供的低层支持。

### 8. **显示协议与设备**
   - **Framebuffer (fbdev)**：Linux 内核中的早期显示接口，负责直接在内存中的帧缓冲区渲染图形。fbdev 已逐渐被 KMS 和 DRM 取代。
   - **Display Interface**：各种显示接口（如 HDMI、DisplayPort）通过 DRM 驱动程序进行管理，确保显示设备与 GPU 的正确配置。

### 现代 Linux 图形栈总结：
1. **应用程序层**：图形应用和工具包通过 OpenGL 或 Vulkan API 请求图形渲染。
2. **Mesa**：处理这些 API 请求，并与底层 GPU 驱动程序进行交互，实现硬件加速。
3. **Wayland / X11**：显示服务器协议管理图形和输入事件的传输和处理，Wayland 提供了更高效的替代方案。
4. **Compositor**：负责合成多个应用程序的图形内容，并在屏幕上呈现出来。
5. **DRM/KMS**：Linux 内核部分负责管理 GPU 资源、显示设备的控制和图形缓冲区。

### 与 Windows 图形栈的对比：
- **Windows** 采用 **DirectX** (主要是 **Direct3D**) 作为其图形 API，和 **WDDM** (Windows Display Driver Model) 管理硬件资源。Windows 图形系统通过 **Desktop Window Manager (DWM)** 负责合成和管理窗口，类似于 Linux 的合成器。
- **Linux** 通过 **Wayland** 和 **DRM/KMS** 实现了现代的图形处理方式，借助 **Mesa** 实现了跨平台的图形 API 支持（OpenGL、Vulkan），与 Windows 的 **DirectX** 相当。

Weston (Wayland) — Jetson Linux<br/>Developer Guide 34.1 documentation