linux DRM GEM 笔记

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在GPU上的各类操作中涉及到多种、多个buffer的使用。 通常我们GPU是通过图像API来调用的,例如OPENGL、vulkan等,所以GPU上buffer的使用,实际上就是在这些图像API中被使用。 例如在opengl es中,vertex/fragment shader、vertex index、vertex buffer object、uniform buffer object、texture、framebuffer等都需要一块memory buffer来存储对应的内容。 而在vulkan中有提供明确的memory管理规则,它把memory分成两半来管理分别是:resource和backing memory。 resource有两种类型buffer和image。 Backing memory也被叫做device memory。 不同类型的resource对Backing memory的需求不一样,vulkan根据resource的属性来分配对应的backing memory。 所以memory的管理在整个GPU的操作中起着重要作用。   Memory buffer究其本质就是ram上的段内存空间可被表示为:address + size。 如果支持MMU,虚拟地址连续,但物理地址不连续的一段内存。   因为linux系统的特点,应用层不能直接访问物理地址等原因,所以需要linux kernel中提供一种方法来让用户层图像API访问device buffer。 GEM(Graphics Execution Manager)即是linux DRM中用于完成memory管理的内核基础设施(不止这一种)。   GEM作为一种内存管理方式,并未覆盖各种在userspace和kernel使用情况(use cases)。 GEM提供了一组标准的内存相关的操作给userspace,以及一组辅助函数给kernel drivers,kernel drivers还需要实现一些硬件相关的私有操作函数。 GEM所管理的memory具体类型、属性是不可知的,我们并不知道它所管理的buffer对象包含了什么。如果要获知GEM所管理的buffer对象的具体内容和使用目的,需要kernel drivers自己实现一组私有的ioctl来获取对应的信息。   一个实际的GEM对象所管理的memory类型与硬件平台密切相关,这里我们主要讨论嵌入式平台上的GPU的MEMORY管理。 嵌入式平台上GPU和CPU往往共享主存DDR,所以在本文中讨论GEM的backing memory往往就是DDR上的某段物理内存页(连续或非连续均可)。 这段物理内存会被CPU(分内核虚拟地址和用户层虚拟地址)、GPU(虚拟地址和物理地址)访问。 在CPU端访问时,当在用户层访问时,需要通过GEM的mmap()规则映射成用户层虚拟地址,在kernel中使用时需要映射成内核虚拟地址。 在GPU端访问时,如果GPU支持MMU,GPU也使用MMU映射后虚拟地址,如果不支持MMU,GPU直接访问物理地址。   userspace: 在userspace当需要创建一个新的GEM对象时,会通过调用driver私有的ioctl接口来获取。 虽然不同driver设计的icotl接口不一样,但是最终都通过返回一个handle给用户层,来作为kernel中一个GEM对象的引用,而这个handle就是一个u32的整数。 所以一个kernel中的GEM对象被抽象为一个不透明的u32整数值, 所以userspace对一个GEM对象的操作均透过这个handle来进行。   如前所述,GEM本质上是做内存管理,而内存上最常规的操作就是读写。 而在对内存读写上我们需要增加各种限制条件,这些条件可以是,比如谁可以在什么时候写入什么地方,谁可以在什么时候从哪个地址读取等。   当在userspace需要访问GEM buffer内存时,通常通过mmap()系统调用来映射GEM对象所包含的物理地址。 因为在userspace一个handle就代表一个GEM对象,在映射前还需要通过driver私有的ioctl返回一个pg_offset,作为一个mmap()的“off_t offset”参数。 详细的讨论将在mmap节展开。   Kernel space: 本文主要讨论内容是kernel driver中对GEM的使用。   GEM对象的分配和它的backing memory的分配是分开的。 一个GEM对象通过struct drm_gem_object来表示,驱动程序往往需要把struct drm_gem_object嵌入到自己的私有数据结构中,主要用于内存对象的管理。 struct drm_gem_object对象中不包含内存分配的管理,Backing memory分配将在memory分配段讨论。   在kernel中struct drm_gem_object的被定义为: struct drm_gem_object {       struct kref refcount;   unsigned handle_count;   struct drm_device *dev;       struct file *filp;   struct drm_vma_offset_node vma_node;       size_t size;       int name;       struct dma_buf *dma_buf;   struct dma_buf_attachment *import_attach;   struct dma_resv *resv;   struct dma_resv _resv;       const struct drm_gem_object_funcs *funcs; };   提供如下几点管理: 1、对象本身的创建销毁管理,引用计数等。 2、vma管理,主要是配合用户层的调用mmap()时会用到。 3、shmem文件描述符获取 4、在PRIME中用于import/export操作 5、同步操作 6、回调函数提供平台差异实现   struct drm_gem_object中主要是包含了通用的部分,存在平台差异化的地方通过两个方法来解决。 一是通过一组回调函数接口,让drivers提供各自的实现版本。 二是通过嵌入struct drm_gem_object到各自私有的数据结构中,来扩展GEM对象的管理内容。   在一个GEM对象上涉及到的操作或者是提供的功能如下: 1.create 2.backing memory 3.mmap 4.import/export 5.sync   1.首需要创建一个GEM对象 2.GEM是管理一段内存,那么必然涉及到实际物理内存分配 3.GEM分配的内存要在用户层能访问,需要通过对mmap()的支持 4.GEM对象的内存可以来至driver自己的分配,同样可以从外部模块引入,也支持将GEM对象所管理的内存导出给其他模块使用 5.当GEM对象被多个模块使用时,就涉及到buffer数据的同步   GEM对象创建 一个GEM对象通常需要嵌入到driver私有数据结构中(类似于基类)。 目前的kernel中提供了helper函数,这些函数就是在嵌入了GEM对象的基础上实现的。 kernel中提供了几种常用到的GEM对象的扩展,我们会讨论到CMA、shmem这两种扩展,围绕这两者有相应的helper函数。 前文提到GEM把实际的内存配实际上留给了drivers自己实现,从CMA、shmem的名字即可知,这种扩展分别对应从CMA或shmem分配实际的物理内存。   物理内存分配 CMA(Contiguous Memory Allocator)是linux系统早期启动时,预留的一段内存池。 CMA用于分配大块的、连续的物理内存。 当GPU或display模块不支持MMU时,使用CMA来分配内存是不错的选择。   CMA作为GEM对象的内存分配: struct drm_gem_cma_object {   struct drm_gem_object base;   dma_addr_t paddr;   struct sg_table *sgt;   void *vaddr; };   base:GEM对象 paddr:分配的内存物理地址 sgt:通过PRIME导入的scatter/gather table,这个table上的物理地址必须保证是连续的。 vaddr:分配的内存虚拟地址   函数drm_gem_cma_create()通过调用__drm_gem_cma_create()完成一个struct drm_gem_cma_object对象分配和初始化,然后通过dma_alloc_wc()分配指定大小的内存。   struct drm_gem_cma_object *drm_gem_cma_create(struct drm_device *drm,                           size_t size) {     struct drm_gem_cma_object *cma_obj;     int ret;         size = round_up(size, PAGE_SIZE);         cma_obj = __drm_gem_cma_create(drm, size);     if (IS_ERR(cma_obj))         return cma_obj;         cma_obj->vaddr = dma_alloc_wc(drm->dev, size, &cma_obj->paddr,                       GFP_KERNEL | __GFP_NOWARN);     if (!cma_obj->vaddr) {         drm_dbg(drm, "failed to allocate buffer with size %zu\n",              size);         ret = -ENOMEM;         goto error;     }         return cma_obj;     error:     drm_gem_object_put(&cma_obj->base);     return ERR_PTR(ret); }   MMAP:   GEM对提供了mmap()的支持,通过映射后usersapce可以访问GEM对象的backing memory。 一种是完全由driver自己提供私有的ioctl实现。   GEM建议的方式是走mmap系统调用: void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);   前文提到一个GEM对象在usersapce看来就是一个u32的不透明handle值,这个handle值不能直接和mmap配合使用。 所以要如何通过mmap来映射一个GEM对象,使其能在usersapce被访问呢? DRM是通过mmap的offset参数来识别出一个要被映射的GEM对象的。 在一个GEM对象能被mmap映射前,这个GEM对象会调用函数drm_gem_create_mmap_offset()去分配一个fake offset。 然后driver自身需要实现一个独有的ioctl(),将这个fake offset传递给usersapce。 当usersapce拿到这个fake offset后,作为参数传递给mmap 的offset参数。 当mmap执行在kernel中DRM部分时,DRM通过这个offset参数返回GEM对象,获取其上的backing memory,从而完成对这个GEM对象的映射。   如果GPU支持MMU,可以用shmem分配memory。 shmem分配的物理页可能不连续,因为GPU支持MMU,所以GPU也能访问这种不连续的物理页。使用shmem可以充分利用缺页异常分配memory的特性, 真正建立页表是在用户空间对映射地址进行read/write时,触发缺页异常时,才执行虚拟地址到物理地址的映射。 而如果GEM对象的backing memory是CMA时,在mmap系统调用,进入kernel driver部分执行时,就需要完成用户虚拟地址到物理地址的映射。   static struct drm_gem_cma_object * __drm_gem_cma_create(struct drm_device *drm, size_t size) {     struct drm_gem_cma_object *cma_obj;     struct drm_gem_object *gem_obj;     int ret;         if (drm->driver->gem_create_object)         gem_obj = drm->driver->gem_create_object(drm, size);     else         gem_obj = kzalloc(sizeof(*cma_obj), GFP_KERNEL);     if (!gem_obj)         return ERR_PTR(-ENOMEM);         if (!gem_obj->funcs)         gem_obj->funcs = &drm_gem_cma_default_funcs;         cma_obj = container_of(gem_obj, struct drm_gem_cma_object, base);         ret = drm_gem_object_init(drm, gem_obj, size);     if (ret)         goto error;         ret = drm_gem_create_mmap_offset(gem_obj);     if (ret) {         drm_gem_object_release(gem_obj);         goto error;     }         return cma_obj;     error:     kfree(cma_obj);     return ERR_PTR(ret); }     PRIME IMPORT/EXPORT   GPU上完成一帧图像的渲染后,通常要送到display模块去显示,或是在有多个GPU的桌面机上,GPU间的buffer切换。 这都涉及到将本地内存对象共享给其他模块(本质上是让其他模块访问GPU渲染后的framebuffer)。 同样其他模块也可能指定一块buffer,让GPU把数据渲染在其之上,对GPU driver来说就需要引入某个内存buffer。   PRIME IMPORT/EXPORT是DRM的标准特性,GEM只是其中一个具体的实现的方式,因为本文只讨论GEM,所以后续均讨论不对这两者做区分。   这种导入/导出操作均由userspace来发起,由driver来提供具体的实现。 之所以要有userspace来发起,因为driver不能预先知道何时需要导入/导出,也不能预先知道要导入/导出的去向来路。 DRM提供了两个ioctl命令,分别对应导入和导出: DRM_IOCTL_DEF(DRM_IOCTL_PRIME_HANDLE_TO_FD, drm_prime_handle_to_fd_ioctl, DRM_RENDER_ALLOW) DRM_IOCTL_DEF(DRM_IOCTL_PRIME_FD_TO_HANDLE, drm_prime_fd_to_handle_ioctl, DRM_RENDER_ALLOW)   导出GEM: 我们知道在userspace一个GEM对象通过一个handle来表示。 当要把这个GEM对象导出,我们通过ioctl传递这个handle值给driver,然后driver会返回一个fd。 这个fd就是一个文件描述符,和通过open()系统调用返回的fd是同一个东西。 而这个fd可以通过UNIX domain sockets在进程间传递。   从driver中返回这个fd是通过dma_buf来实现的。 dma_buf是专门设计来供多个模块间进行DMA共享的。   导入GEM: GEM对象是由driver创建,但backing memory是通过dma_buf的来获取。   这篇笔记写的潦草了一点,希望以后有时间能补全。   参考链接: https://www.kernel.org/doc/html/latest/gpu/drm-mm.html    

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路人甲

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