深入理解 Linux 内核中的 GPU 子系统：从 DRM 到 NXP 驱动架构全解读

news2025/4/5 15:45:01

本文不仅为 GPU 子系统的深入复习笔记，更是一本面向 Linux 内核开发者、嵌入式图形系统开发人员的实践指南。本文围绕 drivers/gpu 展开，特别聚焦 NXP i.MX 系列平台的 GPU 架构和 Linux-imx 的实现方式，内容超 5000 字，适合收藏学习。

一、GPU 是什么？为什么 Linux 内核中需要专门的 GPU 子系统？

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1.1 GPU 的本质

GPU（Graphics Processing Unit，图形处理单元）最初用于加速图像渲染，尤其是 2D 和 3D 图形。随着 GPGPU（通用计算）和 AI 的发展，其作用远超“图像”处理。

在嵌入式系统中，GPU 通常承担如下角色：

用户图形界面渲染（UI compositing）
OpenGL ES / Vulkan 的支持
多媒体视频加速与帧缓冲操作
硬件层面的图像旋转、缩放、颜色转换等

1.2 GPU 的核心模块与组成

一个典型的 SoC 中，图形相关模块通常包括：

Display Controller（DC 或 DI）：负责输出至屏幕的最终合成；
Graphics Core（如 Vivante GPU、ARM Mali、PowerVR）：执行 OpenGL 渲染指令；
Video Processing Unit（VPU）：解码器，处理视频格式；
Image Processing Unit（IPU）：图像转换器，支持 CSC、Rotation 等；
DRM/KMS（内核驱动层）：调度用户图形请求、资源管理、与硬件通信；
用户空间库（如 libdrm, Mesa3D）：为 X11、Wayland、Qt 等图形框架提供接口。

二、Linux 内核中的 GPU 子系统：DRM 和 KMS 的地位

2.1 DRM 与 Framebuffer 的区别

对比维度	DRM（Direct Rendering Manager）	Framebuffer（fbdev）
控制粒度	多层次控制，支持多 buffer / plane	单一 frame buffer
性能优化	支持 DMA、Zero-copy、硬件加速	仅支持软件渲染
硬件支持	支持多显示控制器、CRTC、overlay 等	通常只支持主通道输出
API 接口	ioctls + GEM + KMS	`/dev/fbX` 接口
推荐程度	现代系统默认使用 DRM/KMS	已过时，仅兼容用途

2.2 DRM 的子系统模块

Linux 的 DRM 架构主要包括以下模块：

drm_core：核心调度、缓冲区管理；
GEM（Graphics Execution Manager）：内存分配接口；
KMS（Kernel Mode Setting）：设置分辨率、刷新率、输出通道等；
驱动模块（drivers/gpu/drm/…）：具体厂商实现，例如：
- drm/imx：NXP i.MX 平台专属；
- drm/rockchip：瑞芯微平台；
- drm/amd：桌面平台；
同步机制（fences, syncobj）：用于图像显示和渲染同步；
用户接口（libdrm）：上层程序调用通道。

三、drivers/gpu 子目录结构总览（以 Linux-imx 为例）

在 NXP 的 BSP 中，GPU 相关主要集中于 drivers/gpu 和 drivers/gpu/drm/imx：

drivers/gpu/
├── drm/                   # DRM 主目录
│   ├── imx/               # NXP 平台专属 DRM 驱动
│   │   ├── imx-drm-core.c
│   │   ├── imx-dcss.c     # DCSS 显示控制器
│   │   ├── imx-hdmi.c     # HDMI 模块驱动
│   │   ├── imx-ldb.c      # LVDS 接口驱动
│   │   ├── imx-gpu-drv.c  # GPU 控制接口
├── vivante/               # Vivante GPU 相关接口（合入 NXP BSP）
│   ├── gc_hal/            # HAL 层，闭源 blob 所需 wrapper
│   ├── galcore/           # 核心内核模块

四、深入理解 NXP i.MX 系列的 GPU 架构

以 i.MX 8M Plus 为例：

GPU：Vivante GC7000UL
显示模块：DCSS（Display Controller Subsystem）
加速能力：OpenGL ES 2.0/3.0, Vulkan（部分支持）

4.1 GPU 模块（Vivante）

NXP 的 Vivante GPU 驱动为二进制闭源 + 开源 wrapper 模式：

galcore.ko：闭源内核模块，提供核心 GPU 操作能力；
libGAL.so / libVIVANTE.so：用户态二进制；
HAL 层（在 drivers/gpu/vivante）用于桥接 lib 与 galcore。

4.2 显示模块（DCSS、HDMI、LVDS）

在 drivers/gpu/drm/imx/ 目录中，主要负责：

硬件输出配置（CRTC）；
帧缓冲 plane 配置；
Encoder（转换器）绑定，如 HDMI、LVDS；
Connector 检测（热插拔）。

五、GPU 子系统的典型初始化路径

以 Vivante GPU 驱动为例：

平台设备注册：
- 在 DTS 文件中定义 galcore 设备；
- drivers/gpu/vivante/galcore/platform 中注册 platform driver。
内存管理初始化：
- 使用 ION / CMA 管理显存分配；
- 支持 IOMMU 映射。
GEM 对接：
- GPU 通过 DRM GEM 模型暴露缓冲区；
- 上层用户可通过 drm_ioctl 获取 DMA-BUF。
DRM 模块注册：
- 调用 drm_dev_register() 完成 GPU 显示子系统对接。