从硬件到内核：彻底理解 HDMI 在 DRM 显示驱动中的连接机制

嵌入式Jerry

已于 2025-03-24 17:55:25 修改

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分类专栏： Linux+内核文章标签： linux 嵌入式硬件

于 2025-03-24 17:51:32 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Interview_TC/article/details/146482246

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从硬件到内核：彻底理解 HDMI 在 DRM 显示驱动中的连接机制

在嵌入式 Linux 系统中，HDMI 是最常见的显示输出方式之一。在 NXP i.MX8M Plus 平台中，HDMI 显示通路既涉及硬件电路（PHY、ESD、DDC 等）也涉及内核 DRM 子系统的多级抽象（Plane、CRTC、Encoder、Connector）。

本文将围绕以下几个维度，彻底讲清楚 HDMI 在 DRM 架构中的角色与实现方式：

HDMI 相关的硬件组成
DRM/KMS 显示架构关键概念
设备树 + 驱动如何实现连接
GPU 与 DRM 的协同关系

并在文末附带面试高频问答，帮助你加深记忆与理解。
在这里插入图片描述

一、HDMI 显示系统的硬件组成

HDMI 接口不只是几根线，它涉及多个支持模块。下面是常见的 HDMI 显示电路组成：

模块	功能	原理图中体现
HDMI PHY	将图像数据转为 TMDS 信号	`hdmiphy` 模块，SoC 内部或外置
ESD 防护	保护差分信号通道	`PCMF2HDMI2S` 等器件
Level Shifter	转换 DDC I2C 信号电平	`PCA9306` 等
HDMI CEC	支持远程控制协议的低速通道	GPIO 控制电路或专用芯片
HDMI Connector	TYPE A/D 接口	`J17` 物理连接器

此外：

DDC（Display Data Channel）用于读取显示器的 EDID 信息（分辨率支持、名称等）
HPD（Hot Plug Detect）用于检测 HDMI 是否插入

二、DRM 显示架构的核心概念与结构

Linux 显示子系统采用 DRM（Direct Rendering Manager）架构，显示路径组成如下：

Framebuffer → Plane → CRTC → Encoder → Connector → 显示器

我们依次解释每一层的核心概念：

概念	简明解释	i.MX8MP 中实例
Framebuffer	存储图像像素的一块内存，就像画布	分配在内存中，由 DRM/GPU 写入
Plane	图层，支持多图层叠加（如字幕 + 视频）	primary plane、overlay plane
CRTC	显示控制器，控制刷新、VSYNC 等	`lcdif1`, `lcdif3`
Encoder	像素编码器，将像素转为 HDMI/MIPI 信号	HDMI encoder 内部实现
Connector	显示连接器，表示实际的显示输出端	`hdmi@32fd8000`，连接 HDMI 屏幕

📌 CRTC 是什么？

全称：Cathode Ray Tube Controller（历史遗留名）
实质：控制像素输出时序（VSYNC、HSYNC 等），与 Framebuffer 对接，是图像输出的“调度器”

📌 KMS 是什么？

Kernel Mode Setting：Linux 内核中的子系统，负责设置显示分辨率、图层组合、输出路径等，是 DRM 的核心部分之一。

三、设备树中的连接配置

设备树用于在启动阶段描述硬件连接关系。以 HDMI 为例：

HDMI 节点（连接器）：

hdmi: hdmi@32fd8000 {
  compatible = "fsl,imx8mp-hdmi";
  ...
  port {
    hdmi_from_lcdif3: endpoint {
      remote-endpoint = <&lcdif3_to_hdmi>;
    };
  };
};

CRTC 来源（lcdif3）：

&lcdif3 {
  port@3 {
    lcdif3_to_hdmi: endpoint {
      remote-endpoint = <&hdmi_from_lcdif3>;
    };
  };
};

这个 port.endpoint 的互联建立了：

图像源（lcdif3） → HDMI 输出（connector）
DRM 框架启动时自动识别这些连接，构建完整显示拓扑

四、驱动中 HDMI 是如何注册为 Connector 的？

在 HDMI 驱动代码中，通常会使用如下函数将 HDMI 注册为一个 drm_connector：

struct drm_connector *connector;
drm_connector_init(dev, connector, &funcs, DRM_MODE_CONNECTOR_HDMIA);
drm_connector_helper_add(connector, &helper_funcs);

类型设为 DRM_MODE_CONNECTOR_HDMIA，代表 HDMI-A 类型
配合 encoder、CRTC 实现完整图像输出

五、GPU 与 DRM 的协作关系

在现代图形系统中，GPU 负责图像生成，DRM 负责图像输出，两者配合如下：

用户空间（如 Weston/Chromium）调用 GPU API（如 OpenGL、Vulkan）绘图
GPU 将图像渲染到 framebuffer（内存 buffer）中
用户层通过 DRM API（如 libdrm）将该 framebuffer 绑定到 DRM 的 plane 上
DRM 的 CRTC → Encoder → Connector 负责将图像输出到屏幕

GPU 渲染路径典型架构：

[App] → [Mesa/GL] → [GPU 驱动] → [Framebuffer] ↘
                                        [DRM] → [CRTC → Encoder → HDMI]

i.MX8MP 平台说明：

搭载 Vivante GPU（GC7000L），通过 Etnaviv DRM 驱动与主线集成
使用 kmscube 可验证 GPU + DRM 全路径是否打通

总结：GPU 和 DRM 是上下游关系，一个负责画图（内容生成），一个负责输出（信号驱动）

六、调试方法建议

工具/操作	作用
`modetest -M imx-drm`	列出所有 connector、CRTC、plane 状态
`cat /sys/class/drm/card0-HDMI-A-1/edid \| edid-decode`	查看 HDMI 连接设备的 EDID 信息
查看 dmesg / dev_dbg 信息	确认是否识别到 HDMI 连接器、正确初始化

七、结构图总结

[Framebuffer]
     ↓
[Plane 图层处理]
     ↓
[CRTC 时序控制器: lcdif3]
     ↓
[Encoder: HDMI 编码模块]
     ↓
[Connector: hdmi@32fd8000]
     ↓
[显示器]

设备树中通过 endpoint 配对建立结构，驱动中注册 connector 与 encoder，最终实现显示输出。

八、核心问题问答总结（适合面试与回顾）

1. DRM 与 KMS 有什么关系？

KMS 是 DRM 的一部分，专门负责设置显示模式（分辨率、刷新率、图层）。DRM 是整个图形子系统，包括 buffer 管理、权限控制等。

2. Framebuffer 是硬件还是内存？

是内存（或显存）的一块区域，保存屏幕将显示的像素信息。

3. CRTC 是芯片吗？

不是。CRTC 是一个显示控制逻辑模块，在 SoC 中由例如 lcdif1/lcdif3 等硬件模块实现。

4. Encoder 和 Connector 有什么区别？

Encoder 负责信号转换（如 RGB 转 HDMI），Connector 表示物理输出接口（如 HDMI、DSI）。

5. Plane 有什么意义？

Plane 是图层，支持视频、字幕等分层显示，可叠加混合。

6. GPU 和 DRM 什么关系？

GPU 负责图像渲染，DRM 负责显示输出。GPU 渲染的 framebuffer 交由 DRM 显示。

九、结束语

HDMI 不只是插上就能用的接口，它背后是一整套显示系统架构的协同工作。从 framebuffer 到 Connector，每一级都承担着不同的职责。

掌握这些结构与概念，是你迈向 显示驱动高手 的第一步。尤其是在车载、消费电子、图形中间件等行业中，懂显示 = 抓核心。

愿你彻底吃透 DRM/KMS 显示通道，成为下一位能讲清硬件 + 驱动 + GPU 的图形专家。