【原创】Linux环境下的图形系统和AMD R600显卡编程(6)——AMD显卡GPU命令格式

　　前面一篇blog里面描述了命令环缓冲区机制，在命令环机制下，驱动写入PM4（不知道为何会取这样一个名字）包格式的命令对显卡进行配置。这一篇blog将详细介绍命令包的格式。

　　当前定义了4中命令包，分别是0型/1型/2型和3型命令包，命令包由两部分组成，第一部分是命令包头，第二部分是命令包主体，命令包头为请求GPU执行的具体操作，命令主体为执行该操作需要的数据。

• 0型命令包

　　0型命令包用于写连续N个寄存器。包主体部分是依次往这些寄存器写的值。包头各个部分的意义为：

位	域名称	描述
12:0	BASE_INDEX	要写的连续寄存器的第一个寄存器地址，最大地址0x7FFF
14:13	保留位
15	ONE_REG_WR	0表示将包主体的数据依次写入寄存器中 1表示所有数据写入同一个寄存器
29:16	COUNT	要写的寄存器数目N-1
31:30	TYPE	包类型，0型命令包类型名为0

　　Linux内核代码./drivers/gpu/drm/radeon/r600.c r600\_fence\_ring\_emit函数有如下语句：

　　radeon_ring_write(rdev, PACKET0(CP_INT_STATUS, 0));

　　radeon_ring_write(rdev, RB_INT_STAT);

　　PACKET0定义如下：

　　　　#define PACKET0(reg, n) ((PACKET_TYPE0 << 30) |  \     包类型 0型命令包

(((reg) >> 2) & 0xFFFF) |          \        寄存器偏移基地址

((n) & 0x3FFF) << 16)                     要写的寄存器数目

　　所有类型的数据包31~30bit为包类型标识符，0型数据包的类型标识符为0,其30bit为PACKET_TYPE0（0x0）,29~16bit为命令写的寄存器数量-1（(n) & 0x3FFF) << 16），上面例子只写一个寄存器，其值为0。第14~132bit为保留位，12~0bit ((reg) >> 2) & 0xFFFF)为第一个寄存器偏移地址，由于使用0型包可以访问的所有寄存器都是4字节的，寄存器地址都是4字节对其的，所以低2位为0。

• 1型命令包

　　1型命令包用于写两个的寄存器，1型命令包包头定义如下：

位	域名称	描述
10:0	REG_INDEX1	第一个寄存器的地址
22:11	REG_INDEX2	第二个寄存器的地址
29:22	RESERVED	保留位
31:30	TYPE	1型命令包的类型为0x1

　　由于1型命令包可以用0型命令包代替而且1型命令包并不能够访问到所有寄存器，在内核radeon驱动中并没有使用1型命令包。

• 2型命令包

　　2型命令包是一个空命令包，用于填充对齐命令。2型命令包没有包主体，其包头最高两位为0x2，其它位无意义。

　　2型命令包不做任何操作，仅用于填充保证对齐用，填充ring buffer的时候有对齐要求，内核radeon驱动对齐要求是16个dword（16×4字节），在命令没有16 dword对齐的时候，就需要使用2型命令包填充。

　　drivers/gpu/drm/radeon/radeon_ring.c radeon_ring_commit函数用于通知GPU从ring buffer中取数据并执行，该函数包含如下代码：

count_dw_pad = (rdev->cp.align_mask + 1) - (rdev->cp.wptr & rdev->cp.align_mask);

for (i = 0; i < count_dw_pad; i++) {

radeon_ring_write(rdev, 2 << 30);

}

　　第一句用于计算对齐命令需要的dword数目，后面的for循环用于填充2型命令。2型命令仅有个命令头部，并且只有31~30bit有效。

• 3型命令包

　　3型命令包是最功能最丰富的包，图形的主要功能都是通过这类包实现的。3型命令包主体内容由包头的IT_OPCODE决定。

位	域名称	描述
7:0	reserved	保留位
15:8	IT_OPCODE	操作码
29:16	COUNT	包主题DWORDS数目-1
31:30	TYPE	3型包类型为0x3

　　3型命令是主要的命令包，涵盖了寄存器设置/绘图命令/同步等主要操作。以下是一个使用3型命令包设置寄存器的例子，这段代码来自drivers/gpu/drm/radeon/r600.c 的r600_ib_test函数：

ib->ptr[0] = PACKET3(PACKET3_SET_CONFIG_REG, 1);

ib->ptr[1] = ((scratch - PACKET3_SET_CONFIG_REG_OFFSET) >> 2);

ib->ptr[2] = 0xDEADBEEF;

ib->ptr[3] = PACKET2(0);

ib->ptr[4] = PACKET2(0);

......

ib->ptr[15] = PACKET2(0);

ib->length_dw = 16;

　　这段代码使用了indirect buffer，但是填充的命令和ring buffer中填充的命令是一样的。

#define PACKET3(op, n)  ((PACKET_TYPE3 << 30) |             \

(((op) & 0xFF) << 8) |             \

((n) & 0x3FFF) << 16)

　　3型命令头部包含了操作码op和数据数目（以dword计）。上面例子中PACKET3(PACKET3_SET_CONFIG_REG, 1) PACKET3_SET_CONFIG_REG表明这次命令包用于设置寄存器，1表明后面有2个dword数据，分别是(scratch - PACKET3_SET_CONFIG_REG_OFFSET) >> 2（寄存器地址）和0xDEADBEEF（往寄存器中写的值）。后面是用于对齐的2型包。

　　下面使用一个更加复杂的命令包来说明3型包的使用，下面的这个命令包用于执行一个简单的2D操作。r600显卡是ATI推出的第一款使用统一着色器的GPU，r600及其以后的显卡不包含单独的2D单元，而是使用3D部件执行2D操作。为了简单起见，这里我们使用r500显卡上的填充矩形的命令包。

radeon_ring_write(rdev, PACKET3(PACKET3_PAINT_MULTI, 6));

radeon_ring_write(rdev,

RADEON_GMC_DST_PITCH_OFFSET_CNTL |

RADEON_GMC_DST_CLIPPING | // important

RADEON_GMC_BRUSH_SOLID_COLOR |          // 13 << 4

(RADEON_COLOR_FORMAT_ARGB8888 << 8) |     // << 8

RADEON_GMC_SRC_DATATYPE_COLOR |         // 4 << 12

RADEON_ROP3_P |                              // << 16

RADEON_GMC_CLR_CMP_CNTL_DIS);           // 1 << 28

radeon_ring_write(rdev, ((pitch / 64) << 22) | (fb_offset>>10));

radeon_ring_write(rdev, 0 | (0 << 16));                                   // SC_TOP_LEFT

radeon_ring_write(rdev, (fb_w -1) | ((fb_h -1) << 16));    // SC_BOT_RITE

radeon_ring_write(rdev, color); // this is color

radeon_ring_write(rdev, (x << 16) | y);

radeon_ring_write(rdev, (w << 16) | h);

radeon_ring_write(rdev, PACKET0(RADEON_DSTCACHE_CTLSTAT, 0));

radeon_ring_write(rdev, RADEON_RB2D_DC_FLUSH_ALL);

radeon_ring_write(rdev, PACKET0(RADEON_WAIT_UNTIL, 0));

radeon_ring_write(rdev, RADEON_WAIT_2D_IDLECLEAN|

RADEON_WAIT_HOST_IDLECLEAN|

RADEON_WAIT_DMA_GUI_IDLE);

　　3型包根据他们IT_OPCODE的不同，其IT_BODY差别很大，如果IT_OPCODE的最高位为1（通常是2D绘图命令），那么PACKET还需要加入GUI control。R500上的2D绘图命令有如下格式：

HEADER

GUI_CONTROL

SETUP_BODY

DATA_BLOCK

　　其中Header部分对应3型命令包的头，GUI_CONTROL和SETUP_BODY共同构成了当前绘图环境的配置，这两部分加上DATA_BLOCK共同构成了3型包的IT_BODY部分。上面的代码第一句表明该命令包执行的是矩形绘制（PAINT_MULTI可以同时绘制多个矩形，这里我们只绘制了一个矩形）。第二句对应GUI_CONTROL，GUI_CONTROL为32bit，内容为当前绘制环境的标志，下表给出了代码中使用的一些标志（如果是blit操作，除了表中的DSTxx参数外，还需要设置对应的SRCxx参数），关于这些标志更详细的信息可以参考“R5xx Acceleration v1.5.pdf”35-36页相关内容。

位	域名称	描述
1	DST_PITCH_OFFSET	绘图目标区域的PITCH值和该区域在GPU虚拟地址空间中的偏移，如果该为被置为1,则需要在SETUP_BODY中指定该参数
3	DST_CLIPPING	设置绘图区域的裁剪参数，如果该位置为1,则需要在SETUP_BODY中设置SC_TOP_LEFT和SC_BOTTOM_RIGHT参数
7:4	BRUSH_TYPE	绘图时使用的brush类型，brush类型需要根据这里给出的类型在SETUP_BODY中填brush包，不同的BRUSH_TYPE对应的brush包不同
11:8	DST_TYPE	绘图目标区域的像素类型: 1 :- (reserved) 2 :- 8 bpp pseudocolor 3 :- 16 bpp aRGB 1555 4 :- 16 bpp RGB 565 5 :- reserved 6 :- 32 bpp aRGB 8888 7 :- 8 bpp RGB 332 8 :- Y8 greyscale 9 :- RGB8 greyscale (8 bit intensity, duplicated for all 3 channels. Green channel is used on writes) 10 :- (reserved) 11 :- YUV 422 packed (VYUY) 12 :- YUV 422 packed (YVYU) 13 :- (reserved)

在上面示例程序中，以上标志位均被设置，并且BRUSH\_TYPE被设置为14，DST_TYPE设为32位真彩色。

根据GUI_CONTROL的设置，SETUP_BODY中需要设置以下参数：

DST_PITCH_OFFSET

SC_TOP_LEFT

SC_BOTTOM_RIGHT

BRUSH_PACKET

上面代码中的3-6行即是对这些参数的设置。更多参数的可以参考“R5xx Acceleration v1.5.pdf”37页的内容。

下面对这些参数进行介绍：

• DST_PITCH_OFFSET

　　包括了三部分，31:30位是和tiling相关的标志位，29：22位是以64字节为单位的pitch值，21：0位是DST绘图区域（在xorg中称为pixmap）以1KB为单位在显存中的偏移，这里提示我们，在分配内存的时候必须是1K对齐的，否则在使用的时候会出问题，后面讨论directfb的时候将会碰到这个问题。对于这个参数，上面代码填的是

radeon_ring_write(rdev, ((pitch / 64) << 22) | (fb_offset>>10));

• SC_TOP_LEFT和SC_BOTTOM_RIGHT

　　指定绘图区域的裁剪区域，裁剪区域是个矩形，SC_TOP_LEFT指定裁剪区域左上方坐标，2D绘图时以屏幕左上方的点为原点，从左往又为X轴正方向，从上往下为Y轴正方向。

radeon_ring_write(rdev, 0 | (0 << 16));                            // SC_TOP_LEFT

radeon_ring_write(rdev, (fb_w -1) | ((fb_h -1) << 16)); // SC_BOTTOM_RIGHT

　　fb_w和fb_h为当前绘图区域的长和宽，这里我们指定的裁剪区域就是整个绘图区域。

• BRUSH_PACKET

　　在GUI_CONTROL中指定的brush type为RADEON_GMC_BRUSH_SOLID_COLOR,关于brush type 和对应的值请参考“R5xx Acceleration v1.5.pdf”38页的内容，这里指定的类型为13，对应的BRUSH\_PACKET格式为4字节，内容为绘图使用的前景色。

radeon_ring_write(rdev, color); // the foreground color

　　后面两句代码是DATA_BLOCK部分，对应绘图使用的参数。

radeon_ring_write(rdev, (x << 16) | y);// 矩形左上角坐标

radeon_ring_write(rdev, (w << 16) | h);// 矩形宽和高

　　PAINT_MULTI命令包的DATA_BLOCK部分定义如下表示：

顺序	域名称	描述
1	[DST_X1 | DST_Y1]	第1个矩形左上角的坐标，高16位为X轴坐标，低16位为Y轴坐标
2	[DST_W1 | DST_H1]	第1个矩形的宽和高
...
2n-1	[DST_Xn | DST_Yn]	第n个矩形左上角的坐标
2n	[DST_Wn | DST_Hn]	第n个矩形的宽和高

　　

　　下面给出了一些代码，读者根据前面的介绍并参考“R5xx Acceleration v1.5.pdf” 是很容易理解的，如果机器上有R500核心的显卡，将这些代码添加到drivers/gpu/drm/radeon/radeon_test.c文件中并调用这些函数，在开启radeon_testing的情况下就能在启动阶段看到效果。

• 画线

　　POLYLINE的op_code为0x95，用于绘制折线。

1 void r5xx_draw_line_2d(struct radeon_device *rdev, uint64_t fb_location,

2             int *points, int num ,int color, int fb_w, int fb_h)

3 {

4     int r;

5     struct radeon_fence *fence = NULL;

6     int ndw = 32 + 6 + num;// ?? 32 is enough

7     int i = 0;

8

9     r = radeon_fence_create(rdev, &fence);

10     if (r) {

11         DRM_ERROR("Failed to create fence\n");

12         goto out_cleanup;

13     }

14     r = radeon_ring_lock(rdev, ndw);

15     radeon_ring_write(rdev, PACKET3(PACKET3_POLYLINE, 4 + num));

16     radeon_ring_write(rdev,

17             RADEON_GMC_DST_PITCH_OFFSET_CNTL |

18             RADEON_GMC_DST_CLIPPING | // important

19             RADEON_GMC_BRUSH_SOLID_COLOR |        // 13 << 4

20             (RADEON_COLOR_FORMAT_ARGB8888 << 8) |   //  << 8

21             RADEON_GMC_SRC_DATATYPE_COLOR |      // ??  4 << 12

22             RADEON_ROP3_P |                      // << 16

23             RADEON_GMC_CLR_CMP_CNTL_DIS);

24     radeon_ring_write(rdev, ((fb_w * 4 / 64) << 22) | (fb_location >>10));

25     radeon_ring_write(rdev, 0 | (0 << 16));

26     radeon_ring_write(rdev, (fb_w -1) | ((fb_h -1) << 16));

27     radeon_ring_write(rdev, color);

28     for( i = 0; i < num; ++i){

29            radeon_ring_write(rdev, *points++);

30     }

31     radeon_ring_write(rdev, PACKET0(RADEON_DSTCACHE_CTLSTAT, 0));

32     radeon_ring_write(rdev, RADEON_RB2D_DC_FLUSH_ALL);

33     radeon_ring_write(rdev,

34             RADEON_WAIT_2D_IDLECLEAN |

35             RADEON_WAIT_HOST_IDLECLEAN |

36             RADEON_WAIT_DMA_GUI_IDLE);

37

38     if(fence) {

39         r = radeon_fence_emit(rdev, fence);

40     }

41     radeon_ring_unlock_commit(rdev);

42     r = radeon_fence_wait(fence, false);

43     if (r) {

44         DRM_ERROR("Failed to wait for fence\n");

45         goto out_cleanup;

46     }

47

48 out_cleanup:

49     if(fence) {

50         radeon_fence_unref(&fence);

51     }

52 }

　　注意到这里调用了三个函数处理fence：radeon_fence_create，创建一个fence;radeon_fence_emit，在提交ring buffer之前发送fence;radeon_fence_wait，等待fence。在下一篇blog“中断机制”中会介绍。

• 　画矩形

　　使用PAINT_MULTI可以绘制矩形，可以在一次命令中绘制多个矩形，其IT_OPCODE为0x9a。

1 void r5xx_draw_rectangl_2d(struct radeon_device *rdev, uint64_t fb_location,

2                 int x, int y, int w, int h, int color, int fb_w, int fb_h)

3 {

4     int r;

5     int ndw = 32 + 6;// ?? 32 is enough

6     struct radeon_fence *fence = NULL;

7

8     r = radeon_fence_create(rdev, &fence);

......

13     r = radeon_ring_lock(rdev, ndw);

......

18     radeon_ring_write(rdev, PACKET3(PACKET3_PAINT_MULTI, 6));

19     radeon_ring_write(rdev,

20             RADEON_GMC_DST_PITCH_OFFSET_CNTL |

21             RADEON_GMC_DST_CLIPPING | // important

22             RADEON_GMC_BRUSH_SOLID_COLOR |        // 13 << 4

23             (RADEON_COLOR_FORMAT_ARGB8888 << 8) |   //  << 8

24             RADEON_GMC_SRC_DATATYPE_COLOR |      // ??  4 << 12

25             RADEON_ROP3_P |                      // << 16

26             RADEON_GMC_CLR_CMP_CNTL_DIS);          // 1 << 28

27

28     radeon_ring_write(rdev, ((fb_w * 4 / 64) << 22) | (fb_location >>10));

29     radeon_ring_write(rdev, 0 | (0 << 16));

30     radeon_ring_write(rdev, (fb_w -1) | ((fb_h -1) << 16));

31

32     radeon_ring_write(rdev, color); // this is color

33     radeon_ring_write(rdev, (x << 16) | y);

34     radeon_ring_write(rdev, (w << 16) | h);

35

36     radeon_ring_write(rdev, PACKET0(RADEON_DSTCACHE_CTLSTAT, 0));

37     radeon_ring_write(rdev, RADEON_RB2D_DC_FLUSH_ALL);

38     radeon_ring_write(rdev, PACKET0(RADEON_WAIT_UNTIL, 0));

39     radeon_ring_write(rdev,

40           RADEON_WAIT_2D_IDLECLEAN |

41           RADEON_WAIT_HOST_IDLECLEAN |

42           RADEON_WAIT_DMA_GUI_IDLE);

43

44     r = radeon_fence_emit(rdev, fence);

......

49     radeon_ring_unlock_commit(rdev);

50     r = radeon_fence_wait(fence, false);

......

55 out_cleanup:

......

59 }

• BLT

1 void r6xx_blit_2d(struct radeon_device *rdev,

2             uint64_t src_ad, uint64_t dst_addr,

3             int src_x, int src_y, int dst_x, int dst_y,

4             int src_w, int src_h, int fb_w, int fb_h)

5 {

6     int r;

7     int ndw;

8     struct radeon_fence *fence = NULL;

9     ndw = 64 + 10;

10

......

21     radeon_ring_write(rdev, PACKET3(PACKET3_BITBLT_MULTI, 8));

22     radeon_ring_write(rdev,

23                 RADEON_GMC_SRC_PITCH_OFFSET_CNTL |

24                 RADEON_GMC_DST_PITCH_OFFSET_CNTL |

25                 RADEON_GMC_SRC_CLIPPING |

26                 RADEON_GMC_DST_CLIPPING |

27                 RADEON_GMC_BRUSH_NONE |

28                 (RADEON_COLOR_FORMAT_ARGB8888 << 8) |

29                 RADEON_GMC_SRC_DATATYPE_COLOR |

30                 RADEON_ROP3_S |

31                 RADEON_DP_SRC_SOURCE_MEMORY |

32                 RADEON_GMC_CLR_CMP_CNTL_DIS |

33                 RADEON_GMC_WR_MSK_DIS);

34 // SRC_PITCH_OFFSET

35     radeon_ring_write(rdev, ((fb_w * 4/64) << 22) | (src_addr >> 10));

36 // DST_PITCH_OFFSET

37     radeon_ring_write(rdev, ((fb_w * 4/64) << 22) | (dst_addr >> 10));

38 // SRC_SC_BOT_RITE

39 //  radeon_ring_write(rdev, (0x1fff) | (0x1fff << 16));

40     radeon_ring_write(rdev, (fb_w -1) | ((fb_h -1) << 16));

41 // SC_TOP_LEFT

42     radeon_ring_write(rdev, 0 | (0 << 16));

43 // SC_BOT_RITE

44 //  radeon_ring_write(rdev, (0x1fff) | (0x1fff << 16));

45     radeon_ring_write(rdev, (fb_w -1) | ((fb_h -1) << 16));

46 // [SRC_X1 | SRC_Y1]

47     radeon_ring_write(rdev, (src_x << 16) | src_y);

48 // [DST_X1 | DST_Y1]

49     radeon_ring_write(rdev, (dst_x << 16) | dst_y);

50 // [SRC_W1 | SRC_H1]

51     radeon_ring_write(rdev, (src_w << 16) | src_h);

......

}

参考资料：

　　本节内容主要参考资料为“R5xx Acceleration v1.5.pdf”。