linux DRM 之 GEM 笔记

原文链接：https://www.cnblogs.com/yaongtime/p/14418357.html

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