linux DRM/KMS 测试工具 modetest、kmscude、igt-gpu-tools (一)

这里整理几个在学习Linux DRM/KMS中用到的几个工具，modetest、kmscude、igt-gpu-tools。

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简介：

modetest

是由libdrm提供的测试程序，可以查询显示设备的支持状况，进行基本的显示测试，以及设置显示的模式。

 

kmscube

是由mesa3d提供和维护，这是一个基于 KMS/GBM/EGL/OPENGL ES2.0 测试用例。

kmscube is a little demonstration program for how to drive bare metal graphics without a compositor like X11, wayland or similar, using DRM/KMS (kernel mode setting), GBM (graphics buffer manager) and EGL for rendering content using OpenGL or OpenGL ES.

 

igt-gpu-tools

是一个测试DRM drivers的测试工具集

IGT GPU Tools is a collection of tools for development and testing of the DRM drivers.

 

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测试环境和编译环境：

如未特别注明，所有的程序编译和测试均是在如下环境中进行的：

硬件环境：raspberry Pi 3 Model B

仍将环境：Linux alarm 5.6.13-1-ARCH #1 SMP Sat May 16 21:58:40 MDT 2020 aarch64 GNU/Linux

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modetest

 

代码编译：

libdrm的下载链接：https://dri.freedesktop.org/libdrm/libdrm-2.4.100.tar.bz2

解压代码后，进入目录执行:

 

# ./configure

# Make -j4

编译完成后会在目录libdrm-2.4.100/tests/modetest下生成 modetest 可执行文件。

 

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modetest示例：

modetest的运行需要root权限。

 

首先这里给出一组显示示例，命令参数如下：

 

./modetest -M vc4 -D 0 -a -s 32@140:1920x1080  -P 173@140:1920x1080 -Ftiles

 

命令执行的console输出：

 

 

程序运行效果如下，通过HDM连接的显示器整屏的显示了渐变的斜条纹：

 

如果你运气不错，那么你能看到与我相同的显示效果，但是如果（likely()）运气差了点，没关系，接下来会详细介绍modetest这些参数的由来。

 

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首先通过--help参数可以查看modetest支持的全部选项，如下：

 

./modetest --help

usage: /home/alarm/workspace/linux/libdrm-2.4.100/tests/modetest/.libs/lt-modetest [-acDdefMPpsCvw]

 

 

Query options:

 

 

    -c    list connectors

    -e    list encoders

    -f    list framebuffers

    -p    list CRTCs and planes (pipes)

 

 

Test options:

 

 

    -P <plane_id>@<crtc_id>:<w>x<h>[+<x>+<y>][*<scale>][@<format>]    set a plane

    -s <connector_id>[,<connector_id>][@<crtc_id>]:<mode>[-<vrefresh>][@<format>]    set a mode

    -C    test hw cursor

    -v    test vsynced page flipping

    -w <obj_id>:<prop_name>:<value>    set property

    -a     use atomic API

    -F pattern1,pattern2    specify fill patterns

 

 

Generic options:

 

 

    -d    drop master after mode set

    -M module    use the given driver

    -D device    use the given device

 

 

    Default is to dump all info.

 

可以看到参数一共分为3类。

Query options：提供查询操作，用于列举出connectors、encoders、framebuffers，CRTCs and planes，未指定参数时默认输出所有信息。

Test options：设定显示测试的参数。

Generic options: 指定打开设备节点，DRM/KMS对用户层来说是一个标准的linux字符设备，其设备节点路径为/dev/dri/cardX、/dev/dri/renderX（之所有有两个设备节点这，涉及到DRM-Master 和 client相关的内容，这里可以简单的认为它们代表用一个设备）

 

现在我们来看看如何实现一个这样的需求：通过HDMI连接的显示器输出一副分辨率为1920X1080的pattern图像。

这个需求很明确，通过HDMI输出分辨率为1920X1080的图像，Linux DRM/KMS 内核中和显示组件如下图所示：

 

我们要做的就是找出一组connectors、encoders、framebuffers，CRTCs 和 planes的一个组合，使其能完成我们的需求，步骤如下：

 

1. 找出与HDMI 相连接的connector

2. 在找到connectors后，要找出可与connector匹配的encoder，

3. 找到connector和encoder可用的CRTC，

4. 为CRTC配置合适plane

5. 为plane创建framebuffers，指定framebuffer大小，并填充pattern图像，framebuffer是唯一有用户层创建的内核对象，其余4个对象均是在DRM driver加载时注册的。

 

这里所谓的“找到”，就是获取各个组件在内核中的id号，即handle值。

handle有点像文件描述符，是一个32bits的整数，某个linux DRM/KMS内核对象通过handle导出，并在接收到用户的handle后找到该内核对象。

 

首先来找出与HDMI相关的connector，前面提到modetest具有查询功能，而参数-c  list connectors能列举出所以的connector，查询结果如下：

 

sudo ./modetest -M vc4 -c

Connectors:

id    encoder    status        name        size (mm)    modes    encoders

32    31    connected    HDMI-A-1           550x310        39    31

modes:

    name refresh (Hz) hdisp hss hse htot vdisp vss vse vtot)

  1920x1080 60 1920 2008 2052 2200 1080 1084 1089 1125 148500 flags: phsync, pvsync; type: preferred, driver

...

props:

    20 CRTC_ID:

        flags: object

        value: 140

...

47    0    unknown    composite-1        0x0        1    46

...

 

输出了两组connector的详细（原始log较长，这里只截取关键部分），从log中的关键字可知，id=32的connector是与HDMI相连接的，而该connector是与id=31的encoder相连的，并且通过后面的props列表可以当前连接的CRTC_ID=140. modes列表这列出了connector支持的全部参数配置，即：

 

CRCT(ID=140) --> ENCODER(ID=31) --> CONNECTED(ID=32) --> HDMI

让我们来回顾一下之前的测试命令：

 

./modetest -M vc4 -D 0 -a -s 32@140:1920x1080  -P 173@140:1920x1080 -Ftiles

 

对照一下modetest的参数项： -s  <connector_id>[,<connector_id>][@<crtc_id>]:<mode>[-<vrefresh>][@<format>]

即 connector_id = 32，crtc_id =140， mode = 1920x1080，encoder和connector通常是一一对应的，在内核中这两者一般也是一同注册的，并通过函数drm_connector_attach_encoder()关联在一起。

mode我们选择了 1920x1080。

所以connector_id、crtc_id、mode就是这样来的。

 

列出 encoder：

./modetest -M vc4 -e

Encoders:

id        crtc        type        possible crtcs        possible clones        

31        140        TMDS        0x00000004        0x00000000

46        0          TVDAC        0x00000004        0x00000000

52        0           Virtual        0x00000002        0x00000000

 

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接下里我们分析-P这个参数的设定，前面已经知道connector_id=32是与crtc_id=140组合的，接下来我们需要为crtc_id=140匹配一个可用的plane id。

列举CRCT和PLANE的命令如下（这里省略了很多内容，因为raspberry Pi 3的vc4 driver支持3个CRCT，每个CRTC又支持10个plane，所以输出内容较多）:

 

./modetest -M vc4 -D 0 -p

CRTCs:

id        fb        pos        size

58        0        (0,0)        (0x0)

99        0        (0,0)        (0x0)

140        178        (0,0)        (1920x1080)

1920x1080 60 1920 2008 2052 2200 1080 1084 1089 1125 148500 flags: phsync, pvsync; type: preferred, driver

Planes:

id        crtc        fb        CRTC x,y        x,y        gamma size        possible crtcs

173        0           0        0,0             0,0        0                   0x00000004

 

这里我选择了planes_id=173，选择的依据是possible crtcs = 0x00000004，即bit2=1，表示该plane可用于第3个crcts。

如何理解这里的第3个呢？前面说了CRCT都是通过id来标识的，第3个与crtc=140是关联不上的。

简单的理解是按照上述命令输出的CRCT信息顺序编号，比如第3个crct的id=140。

深层次的原因是kernel中，每成功注册成功一个CRCT后，会把它加入到mode_config->crtc_list中，加入的同时它会获得一个index，而这个index基本上就是按CRCT注册的先后顺序来分配的了（crtc->index = config->num_crtc++）。

最后回到我们下面这个命令：

 

./modetest -M vc4 -D 0 -a -s 32@140:1920x1080  -P 173@140:1920x1080 -Ftiles

 

-P选项的命令格式：-P <plane_id>@<crtc_id>:<w>x<h>[+<x>+<y>][*<scale>][@<format>]

即 plane_id=173, crct_id=140

<w>x<h>=1920x1080设置分辨率。

设置后我们的连接状况如下：

 

PLANE(ID=173, W=1920, H=1080)

      |

    \ | /

CRCT(ID=140) --> ENCODER(ID=31) --> CONNECTED(ID=32) --> HDMI

 

 

buffer的创建是通过函数完成的，大小是从plane相匹配。

framebuffer是在modetest内部分配的，会根据设定的分辨率通过ioctl向驱动程序分配。

 

剩下的-a 和 -Ftiles两项，

“-a use atomic API“。

-F是指填充一种pattern，后面的值需要在modetest的源码里找，其他可用的值tiles、smpte、plain、gradient。

 

参考链接：

1.https://www.kernel.org/doc/html/v4.10/gpu/index.html

2.https://gitlab.freedesktop.org/drm/igt-gpu-tools

3.https://gitlab.freedesktop.org/mesa/kmscube

4.https://wiki.st.com/stm32mpu/index.php?title=DRM_KMS_overview&printable=yes#How_to_use_the_framework