RK3506 drm显示编程

1. 概述

    RK3506虽然是Cortex-A7架构的处理器，但是其并显示未使用linuxfb，而是使用了drm(Direct Rendering Manager)即使。
   
    Linux DRM（Direct Rendering Manager）是 Linux 内核中的一个子系统，专门用于图形硬件的管理，提供统一的接口和驱动框架来支持显示硬件的操作。它的目标是允许用户空间直接控制图形硬件，并实现高效的图形渲染。通过 DRM，用户空间的图形库（如 Xorg、Wayland）和应用程序能够访问图形硬件以进行渲染和显示。
   

2. Linux DRM 驱动原理
   2.1 DRM 的基本架构
   DRM 内核模块
   DRM（Direct Rendering Manager）内核模块是Linux内核的一部分，负责直接控制和管理硬件资源，例如显卡和显示设备。它实现了硬件抽象层（HAL），提供了对不同硬件的统一接口。主要功能包括：

内存管理：管理显存（Video RAM）的分配和释放。
缓冲区管理：创建、销毁和管理帧缓冲区。
模式设置：设置显示模式（分辨率、刷新率等）和配置连接器（如HDMI、DisplayPort）。
中断处理：处理与图形硬件相关的中断请求（IRQ）。
用户空间（libdrm）
用户空间通过libdrm库与DRM内核模块交互。libdrm是一个用户空间库，提供了一组API，使应用程序能够方便地与DRM内核模块进行通信。主要功能包括：

缓冲区管理：创建和管理帧缓冲区。
显示控制：配置显示参数，例如分辨率、刷新率等。
图形渲染：管理图形渲染任务。
图形硬件（GPU）
图形硬件（GPU）是负责图形渲染和图像输出的设备。它包括渲染引擎、显示引擎和视频处理引擎等。GPU的主要功能是：

图形渲染：生成和处理图形图像。
视频解码：解码视频流以供显示。
显示输出：通过连接器（如MIPI、DisplayPort）输出图像。
显示设备（Display Device）
显示设备（如LCD、HDMI显示器等）是用于显示图像的设备。通过连接器（如HDMI、DisplayPort）和显示控制器（CRTC）进行连接和控制。主要功能是：

图像显示：将GPU输出的图像显示在屏幕上。
显示模式设置：配置分辨率、刷新率等显示参数。
2.2 内核与用户空间的交互
在Linux系统中，内核通过DRM驱动框架提供图形硬件的统一管理和控制接口。用户空间应用程序通过libdrm库与内核进行交互，主要通过IOCTL（输入/输出控制）系统调用实现。具体过程如下：

用户空间应用程序：应用程序通过调用libdrm库中的函数向内核发送请求。例如，应用程序可能需要获取硬件资源、设置显示参数、创建和操作帧缓冲区等。
libdrm库：libdrm库将应用程序的请求转化为DRM内核模块能够理解的IOCTL调用。IOCTL（Input/Output Control）是Linux系统中用于设备控制的系统调用。
DRM内核模块：DRM内核模块接收并处理这些IOCTL请求，配置图形硬件、分配内存、设置显示模式、渲染图像等。
图形硬件：根据DRM内核模块的配置和控制，执行相应的图形渲染和显示任务
3. Libdrm库的安装
在开发嵌入式系统或其他需要交叉编译的应用程序时，开发者通常在主机系统上进行编译，而目标程序将运行在不同的架构上。为了使用libdrm库进行交叉编译，以下是安装步骤

3.1 下载libdrm 压缩包
地址：Index of /libdrm

本示例使用2.4.115版本，一般而言，高版本兼容低版本，所以尽量下载较新的版本

3.2 编译libdrm 库
将下载好的lib压缩包放入安装好的ubuntu linux 环境当中

tar -xvf libdrm-2.4.115.tar.xz   #解压命令
 
#进入libdrm 目录
cd libdrm-2.4.115/
 
##安装相关工具
sudo apt update
sudo apt install meson
sudo apt install ninja-build
 
##创建build 和 install 目录
mkdir build
mkdir install
 
##创建编译配置文件cross_file.txt
vim cross_file.txt
 
##文件内容
[binaries]
c = '/opt/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin/arm-none-linux-gnueabihf-gcc'
cpp = '/opt/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin/arm-none-linux-gnueabihf-g++'
ar = '/opt/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin/arm-none-linux-gnueabihf-ar'
strip = '/opt/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin/arm-none-linux-gnueabihf-strip'
 
[host_machine]
system = 'linux'
cpu_family = 'arm'
cpu = 'armv7'
endian = 'little'
 
[build_machine]
system = 'linux'
cpu_family = 'x86_64'
cpu = 'x86_64'
endian = 'little'
 
##构建编译，注意，将编译的相关工具链换位自己的实际工具链的绝对目录
 
meson  --prefix=$(pwd)/../install   --cross-file=../cross_file.txt 
 
##编译
ninja
 
##安装
ninja install

按照上述步骤编译安装即可
4. DRM 驱动架构
4.1 内核空间架构
DRM 驱动在内核中主要包括以下几个部分：

**DRM 驱动模块：**为每种图形硬件提供驱动支持，内核中每个显卡都对应一个 DRM 驱动（例如 i915 代表 Intel 显卡，amdgpu 代表 AMD 显卡）。
**设备模型：**每个显卡设备都会在内核中注册成一个设备节点，通常位于 /dev/dri/ 目录下，如 /dev/dri/card0 和 /dev/dri/renderD128。
/dev/dri/card0：这是一个图形显示控制设备节点，用于处理与显示相关的操作。它代表显卡或 GPU 的主要控制接口，主要用于配置显示模式（如分辨率、刷新率等）、管理显示输出、设置帧缓冲区等任务。所有显示设备（如显示器）通过这个接口来连接和控制。
/dev/dri/renderD128：这是一个渲染设备节点，专门用于 3D 渲染和计算任务。与 /dev/dri/card0 不同，renderD128 设备节点不处理显示输出，而是用于处理 GPU 的计算和渲染任务。它允许用户空间应用程序直接访问 GPU 的渲染能力，以实现高效的图形处理和计算任务。
资源管理：管理图形硬件的资源，包括显示模式、帧缓冲区、内存等。通过 DRM IOCTL 与用户空间交互。
硬件抽象：在内核中，硬件控制被封装为一组统一的 API。无论是 Intel 显卡还是 AMD 显卡，用户空间应用通过相同的接口进行访问。
4.2 图形硬件的工作原理
图形硬件在显示和渲染方面的工作原理主要包括以下几个方面：

显存管理：DRM 管理显卡的内存，通过分配显卡内存缓冲区来存储图像数据。内核提供相应的 API，用户空间通过这些 API 来创建、映射和操作这些内存区域。
显示控制：内核通过 CRTC（显示控制器）来控制显示输出。每个 CRTC 负责一个显示设备的输出，管理显示内容、分辨率、刷新率等参数。
内存映射：通过 mmap 系统调用，用户空间能够将帧缓冲区直接映射到进程的地址空间，这样可以直接操作显示内存。
4.3 常见的内核空间 IOCTL 调用
以下是几个常见的用于控制图形硬件的 IOCTL 调用：

DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB：创建一个简单的帧缓冲区对象，返回一个内存句柄和尺寸等信息。
DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB：将创建的帧缓冲区对象映射到用户空间，使用户可以直接操作它。
DRM_IOCTL_MODE_SET_CRTC：将渲染的图像输出到指定的显示设备上。
5. 用户空间程序设计
5.1 程序步骤详解
以下是实现一个简单显示程序的步骤，以及每个步骤中使用的函数、变量原型和参数的详细解释：

打开设备节点 程序通过 open() 函数打开 /dev/dri/card0 或 /dev/dri/renderD128 设备文件。

int fd = open("/dev/dri/card0", O_RDWR | O_CLOEXEC);

int fd：文件描述符，表示打开的设备节点。
O_RDWR：表示以读写方式打开文件。
O_CLOEXEC：表示在执行新程序时关闭文件描述符。
获取设备资源 使用 drmModeGetResources() 函数获取设备的资源信息（如连接器、编码器、CRTC 等）。

drmModeRes *resources = drmModeGetResources(fd);

drmModeRes *resources：指向 drmModeRes 结构体的指针，该结构体包含所有显示资源的信息。
drmModeRes 结构体包含以下主要成员：
count_fbs：帧缓冲区的数量。
fbs：帧缓冲区的数组。
count_crtcs：CRTC 的数量。
crtcs：CRTC 的数组。
count_connectors：连接器的数量。
connectors：连接器的数组。
其他成员：count_encoders, encoders, 等。
查找已连接的显示设备 遍历所有连接器，查找状态为已连接（DRM_MODE_CONNECTED）的设备。

drmModeConnector *connector = drmModeGetConnector(fd, connector_id);

drmModeConnector *connector：指向 drmModeConnector 结构体的指针，该结构体包含连接器的详细信息。
drmModeConnector 结构体包含以下主要成员：
connector_id：连接器的唯一标识符。
encoder_id：当前连接到该连接器的编码器的标识符。
connection：连接状态（如 DRM_MODE_CONNECTED 表示已连接）。
count_modes：支持的显示模式数量。
modes：显示模式的数组。
其他成员：mmWidth, mmHeight, subpixel, 等。
创建帧缓冲区 使用 DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB 创建一个简单的帧缓冲区（即显存中的图像区域）。

struct drm_mode_create_dumb create_req = {0};
create_req.width = width;
create_req.height = height;
create_req.bpp = 32;
drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB, &create_req);

struct drm_mode_create_dumb create_req：drm_mode_create_dumb 结构体的实例，用于定义帧缓冲区的参数。
width：帧缓冲区的宽度（像素）。
height：帧缓冲区的高度（像素）。
bpp（Bits Per Pixel）：每个像素的位数（例如，32 表示每个像素占用 32 位）。
drmIoctl()：用于发送 IOCTL 命令到 DRM 驱动。
映射帧缓冲区 通过 mmap() 函数将帧缓冲区映射到用户空间，从而直接操作内存进行图形渲染。

void *map = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, map_req.offset);

void *map：指向映射到用户空间的内存区域的指针。
size：映射内存区域的大小（字节）。
PROT_READ：映射区域可读。
PROT_WRITE：映射区域可写。
MAP_SHARED：映射区域在进程间共享。
fd：文件描述符。
map_req.offset：帧缓冲区的偏移量。
渲染图像并设置输出 根据用户输入的选项，绘制不同的图形（如填充颜色、矩形、圆形等），并通过 drmModeSetCrtc() 函数将渲染结果输出到显示设备。

drmModeSetCrtc(fd, crtc->crtc_id, fb_id, 0, 0, &connector->connector_id, 1, &connector->modes[0]);

drmModeSetCrtc()：设置 CRTC 的参数，将帧缓冲区的内容显示到屏幕上。
crtc->crtc_id：CRTC 的标识符。
fb_id：帧缓冲区的标识符。
connector->connector_id：连接器的标识符。
connector->modes[0]：显示模式的结构体，包含分辨率、刷新率等参数。
6.示例程序以及编译
6.1 Makeifle
drm程序编程时，需要使用libdrm库的头文件以及lib库。因此，进行了标题2的libdrm 库的交叉编译，编译后的include 和 lib 在创建的install 路径下。且要将相关的路径加入到Makefile当中。以下是一个Makefile的示例。

CFLAGS = -Iinclude \
		 -I/work/prj/rk3506/libdrm-2.4.115/install/include \
		 -I/work/prj/rk3506/libdrm-2.4.115/install/include/libdrm
LDFLAGS = -L/work/prj/rk3506/libdrm-2.4.115/install/lib
export CC=/opt/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-arm-none-linux-gnueabihf/bin/arm-none-linux-gnueabihf-gcc
 
drm_test: drm_test.c
	$(CC) $(CFLAGS) -o drm_test drm_test.c $(LDFLAGS) -ldrm
 
clean:
	rm -f *.o drm_test

Makefile 的路径需换成自身实际的绝对路径
6.2 示例程序
这个示例程序展示了如何使用Linux DRM API来打开一个显示设备、分配帧缓冲区、映射内存并在屏幕上绘制一些简单的形状（矩形和圆形） 。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <drm/drm.h>
#include <drm/drm_mode.h>
#include <sys/mman.h>
#include <xf86drm.h>
#include <xf86drmMode.h>
 
#define DEVICE_PATH "/dev/dri/card0"
 
// 绘制矩形函数
void draw_rectangle(uint32_t *fb, int fb_width, int fb_height, int x, int y, int rect_width, int rect_height, uint32_t color) {
	int i, j;
	for (j = y; j < y + rect_height && j < fb_height; j++) {
		for (i = x; i < x + rect_width && i < fb_width; i++) {
			fb[j * fb_width + i] = color;
		}
	}
}
 
// 绘制圆形函数
void draw_circle(uint32_t *fb, int fb_width, int fb_height, int cx, int cy, int radius, uint32_t color) {
	int x, y;
	for (y = -radius; y <= radius; y++) {
		for (x = -radius; x <= radius; x++) {
			if (x * x + y * y <= radius * radius) { // 圆方程: x² + y² ≤ r²
				int px = cx + x;
				int py = cy + y;
				if (px >= 0 && px < fb_width && py >= 0 && py < fb_height) {
					fb[py * fb_width + px] = color;
				}
			}
		}
	}
}
 
int main() {
	int fd, i;
	drmModeRes *resources;
	drmModeConnector *connector = NULL;
	drmModeEncoder *encoder = NULL;
	drmModeCrtc *crtc = NULL;
 
	uint32_t fb_id;
	void *map = NULL;
	int width, height;
	uint64_t size;
 
	// 1. 打开DRM设备
	fd = open(DEVICE_PATH, O_RDWR | O_CLOEXEC);
	if (fd < 0) {
		perror("Failed to open DRM device");
		return -1;
	}
 
	// 2. 获取资源信息
	resources = drmModeGetResources(fd);
	if (!resources) {
		perror("Failed to get DRM resources");
		close(fd);
		return -1;
	}
 
	// 3. 查找连接器（输出接口）
	for (i = 0; i < resources->count_connectors; i++) {
		connector = drmModeGetConnector(fd, resources->connectors[i]);
		if (connector->connection == DRM_MODE_CONNECTED) {
			break;
		}
		drmModeFreeConnector(connector);
	}
	if (!connector || connector->connection != DRM_MODE_CONNECTED) {
		printf("No connected connector found.\n");
		drmModeFreeResources(resources);
		close(fd);
		return -1;
	}
 
	// 4. 查找编码器
	encoder = drmModeGetEncoder(fd, connector->encoder_id);
	crtc = drmModeGetCrtc(fd, encoder->crtc_id);
 
	width = connector->modes[0].hdisplay;
	height = connector->modes[0].vdisplay;
	printf("Display resolution: %dx%d\n", width, height);
 
	// 5. 创建FrameBuffer
	struct drm_mode_create_dumb create_req = {0};
	create_req.width = width;
	create_req.height = height;
	create_req.bpp = 32; // 32-bit color depth
 
	if (drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB, &create_req) < 0) {
		perror("Failed to create dumb buffer");
		goto cleanup;
	}
 
	uint32_t handle = create_req.handle;
	uint32_t pitch = create_req.pitch;
	size = create_req.size;
 
	if (drmModeAddFB(fd, width, height, 24, 32, pitch, handle, &fb_id)) {
		perror("Failed to add framebuffer");
		goto cleanup;
	}
 
	// 6. 映射FrameBuffer内存
	struct drm_mode_map_dumb map_req = {0};
	map_req.handle = handle;
 
	if (drmIoctl(fd, DRM_IOCTL_MODE_MAP_DUMB, &map_req)) {
		perror("Failed to map dumb buffer");
		goto cleanup;
	}
 
	map = mmap(0, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, map_req.offset);
	if (map == MAP_FAILED) {
		perror("Failed to mmap framebuffer");
		goto cleanup;
	}
 
	// 7. 设置CRTC输出到新FrameBuffer
	if (drmModeSetCrtc(fd, crtc->crtc_id, fb_id, 0, 0, &connector->connector_id, 1, &connector->modes[0])) {
		perror("Failed to set CRTC");
		goto cleanup;
	}
 
	uint32_t *pixel = (uint32_t *)map;
	int option;
 
 
	int current_option = -1; // 添加一个变量来跟踪当前的显示选项
 
	while (1) {
		printf("\n选择要显示的内容:\n");
		printf("1 - 显示红色\n");
		printf("2 - 显示蓝色\n");
		printf("3 - 显示绿色\n");
		printf("4 - 显示矩形\n");
		printf("5 - 显示圆形\n");
		printf("0 - 退出显示\n");
		printf("输入选项 (Ctrl+C退出): ");
		scanf("%d", &option);
 
		if (option == 0) break; // 如果输入0，则退出显示循环
 
		if (option != current_option) { // 只有在选项改变时才清屏和重绘
			current_option = option;
			memset(map, 0, size); // 清屏
 
			switch (option) {
				case 1: // 红色
					for (i = 0; i < (width * height); i++) pixel[i] = 0x00FF0000; // ARGB 红色
					break;
				case 2: // 蓝色
					for (i = 0; i < (width * height); i++) pixel[i] = 0x000000FF; // ARGB 蓝色
					break;
				case 3: // 绿色
					for (i = 0; i < (width * height); i++) pixel[i] = 0x0000FF00; // ARGB 绿色
					break;
				case 4: // 矩形
					draw_rectangle(pixel, width, height, 100, 100, 300, 200, 0x00FFFFFF); // 白色矩形
					break;
				case 5: // 圆形
					draw_circle(pixel, width, height, width / 2, height / 2, 150, 0x00FFFF00); // 黄色圆形
					break;
				default:
					printf("无效选项，请重试！\n");
					continue;
			}
		}
		usleep(100000); // 短暂延时，避免CPU占用过高
	}
cleanup:
	if (map) munmap(map, size);
	if (fb_id) drmModeRmFB(fd, fb_id);
	drmModeFreeCrtc(crtc);
	drmModeFreeEncoder(encoder);
	drmModeFreeConnector(connector);
	drmModeFreeResources(resources);
	close(fd);
	return 0;
}

运行程序后，按照提示输入选项编号来选择要显示的内容：

• 输入 1 显示红色。
• 输入 2 显示蓝色。
• 输入 3 显示绿色。
• 输入 4 显示一个矩形。
• 输入 5 显示一个圆形。
• 输入 0 退出显示。
• 程序退出

输入 0 或按 Ctrl+C 退出程序。