作者：Nick

開(kāi)始前的幾點(diǎn)說(shuō)明：

本文會(huì)盡量從初學(xué)者的角度去描述整個(gè)Linux整個(gè)圖形子系統(tǒng)，但由于其復(fù)雜性，涉及到的模塊比較多，可能會(huì)需要一些相關(guān)的先驗(yàn)知識(shí)；

對(duì)于系統(tǒng)的介紹，分析的著重點(diǎn)可能不會(huì)在于為什么該這樣設(shè)計(jì)，而是在于在現(xiàn)有的顯示系統(tǒng)下，我們能做些什么來(lái)適配我們的目的；

1.前言

GUI作為人機(jī)交互信息量最大的一種方式，無(wú)論在消費(fèi)還是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品上都大行其道。但同時(shí)由于它處在整個(gè)系統(tǒng)的核心位置，對(duì)外需要通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán) 、顯示器進(jìn)行I/O獲取和控制，在內(nèi)需要負(fù)責(zé)圖形的生成，渲染，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度比較高。本文會(huì)從以下幾個(gè) 方面來(lái)介紹GUI子系統(tǒng)：

以Linux下的原生GUI子系統(tǒng)為例，概述GUI子系統(tǒng)的概念，軟硬件部分在GUI子系統(tǒng)的中的角色及大致構(gòu)成；

著重分析Linux下DRM+KMS的軟件實(shí)現(xiàn)方式，并且以Xilinx的Zynq-7000 SOPC為例，詳細(xì)介紹相關(guān)片內(nèi)硬件模塊在GUI系統(tǒng)中的角色及實(shí)現(xiàn)方式；（由于GPU模塊硬件的源碼的開(kāi)源程度不高，不在本文的分析范圍內(nèi)）

分析現(xiàn)有GUI框架下，在硬件加速方面，我們能做的事情，并以非常簡(jiǎn)單的圖像處理為例，給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案；

本文的最后一部分，會(huì)在Zynq-7000上面（digilent的Zybo開(kāi)發(fā)板）部署整個(gè)Linux+硬件邊緣提取處理+Qt+HDMI的環(huán)境，并給出具體的實(shí)現(xiàn)流程；

2.Linux GUI子系統(tǒng)概述

GUI作為人機(jī)交互的一種方式，通過(guò)其承載的大量信息提高了信息交流的效率。這里我們不介紹鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備，只介紹輸出顯示這一子模塊。生活中大家最常見(jiàn)的圖形化界面估計(jì)就是圖像化界面的桌面環(huán)境，即窗口系統(tǒng)，（如下圖的Ubuntu、Xfce等）。

窗口系統(tǒng)一般都具備以下基本功能：

通過(guò)WIMO（Window-視窗、Icon-圖標(biāo)、Menu-選單、Pointer-指標(biāo)）4個(gè)基本元素來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；

上述的4個(gè)基本元素都能通過(guò)第三方的程序來(lái)擴(kuò)展（也就是安裝新程序）；

在實(shí)現(xiàn)方式上，大部分Linux下的窗口系統(tǒng)都是通過(guò)X來(lái)響應(yīng)不同的交互請(qǐng)求及輸出到顯示器上。因此，整個(gè)應(yīng)用層的GUI結(jié)構(gòu)如下：

因此，在應(yīng)用層面上，GUI系統(tǒng)的核心部分是X，X的總體功能一句話描述如下：通過(guò)指定的協(xié)議接受本地或遠(yuǎn)程的鼠標(biāo)、鍵盤(pán)需求，并切輸出相應(yīng)的窗口畫(huà)面到顯示設(shè)備上。細(xì)分來(lái)講，X主要由以下4個(gè)組件構(gòu)成：

X server：負(fù)責(zé)軟硬件的管理，將輸入的軟硬件事件通過(guò)一定協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)給X client，將輸出的圖形繪制在屏幕上；

X client：每個(gè)需要涉及到GUI的App，可以實(shí)例化為一個(gè)X client，X client主要是響應(yīng)X server分發(fā)下來(lái)的事件，通過(guò)處理后，將待繪制的圖像回傳給X Server；

X window manager：X window manager作為一個(gè)特殊的X client，主要負(fù)責(zé)為X server管理多個(gè)X client（一個(gè)具體的例子就是對(duì)虛擬桌面的管理），起著視窗管理員的角色。常見(jiàn)的X window manager如下:

. GNOME (GNU Network Object Model Environment);
. KDE (K Desktop Enviroment)
. twm (Tab Window Manager)
. XFCE (XForms Common Environment)
. Display manager： 提供登陸許可環(huán)境以獲得X Window的控制

我們?cè)購(gòu)?a target="_blank">開(kāi)發(fā)者的角度來(lái)看一下GUI。以Qt為例，我們?cè)谑褂肣t組件進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，一般是利用組件中的各種類(lèi)庫(kù)，去響應(yīng)各種事件輸入（單雙擊鼠標(biāo)、鍵盤(pán)操作）以及給出相應(yīng)的輸出到顯示器上。其實(shí)際工作的時(shí)候，這些工作底層都是通過(guò)和window system（X）之間的交互實(shí)現(xiàn)的。

這些基本事件的響應(yīng)，基本的圖像單元的繪制，是window system通過(guò)封裝成一個(gè)通用的GUI工具集提供給QT（如X的xlib）。對(duì)于Qt而言，這個(gè)window system可以是X，也可以是QT自行研發(fā)的QWS視窗系統(tǒng)。整個(gè)應(yīng)用層的GUI系統(tǒng)則可看作如下：

3.Linux GUI子系統(tǒng)的構(gòu)成及工作流程

從應(yīng)用層深入到內(nèi)核中去。暫不考慮在linux下的GUI，我們知道，單純的顯示圖片的話，整個(gè)數(shù)據(jù)流的走向是這樣的：

即按照一定時(shí)序時(shí)序，將圖像信息從內(nèi)存中輸出到顯示接口上。若在生成Frame buffer里面的圖像數(shù)據(jù)時(shí)不僅通過(guò)軟件memory處理，還用到了硬件加速的話，數(shù)據(jù)流則變?yōu)槿缦拢?/p>

其中accelerate logic就是顯卡部分（若是SOC的片內(nèi)GPU模塊，則是通過(guò)片內(nèi)高速總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的，若若是獨(dú)立顯卡，一般是通過(guò)pci-e高速串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模０堰@個(gè)數(shù)據(jù)流走向放入Linux中，數(shù)據(jù)流和控制流都需要和用戶(hù)層進(jìn)行交互，也就是說(shuō)，Linux下，必須得有相關(guān)的軟件驅(qū)動(dòng)給用戶(hù)層提供相應(yīng)的API。這也就是DRM（Direct Rendering Manager）和KMS（Kernel Mode Setting）的角色。

Linux原生系統(tǒng)中提供由DRM+KMS構(gòu)成的DRI（Direct Rendering Infrastructure）中：

DRM主要負(fù)責(zé)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流，即通過(guò)軟件或硬件，生成目標(biāo)圖像，存儲(chǔ)在framebuffer中；

KMS主要負(fù)責(zé)控制流，即針對(duì)外置LCD以及指定的顯示模式設(shè)置，將生成好了的frame數(shù)據(jù)信息送到響應(yīng)display port上（VGA、HDMI等）；

Kernel將這兩大快的基本API抽出來(lái)封裝成libdrm供X使用，整個(gè)應(yīng)用層+kernel相關(guān)的GUI結(jié)構(gòu)如下圖：

整個(gè)data flow也替換成了上圖的flow1~flow6。關(guān)于DRM和KMS的詳細(xì)介紹我們會(huì)放到這個(gè)系列的第2篇，這里再提一下涉及到3D的GUI。在需要用到3D圖形交互的場(chǎng)景，往往對(duì)著實(shí)時(shí)性要求較高，X中的server/client之間的數(shù)據(jù)協(xié)議解析以及數(shù)據(jù)交互導(dǎo)致的延時(shí)是這種場(chǎng)景不能容忍的。因此DRI是支持這種app越過(guò)X直接和內(nèi)核交流的方式的。比如，Qt中可以直接通過(guò)opengl相關(guān)類(lèi)庫(kù)直接調(diào)用libdrm中API控制硬件中的Frambuffer軟硬件，此時(shí)結(jié)構(gòu)如下：

4.我們能做些什么

在一個(gè)常見(jiàn)的系統(tǒng)研發(fā)中，子系統(tǒng)中我們能做的基本就是適配，適配不同的CPU、適配不同的OS、適配不同的顯示設(shè)備。而對(duì)于專(zhuān)業(yè)的GPU研發(fā)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，則需要在現(xiàn)有DRI框架下，為自己的GPU邏輯設(shè)計(jì)專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)，軟硬件工作量龐大。作為一個(gè)高性能計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)然要將一些高速計(jì)算融進(jìn)去。在本系列第3篇，我們將會(huì)在Xilinx的Zynq7000系列芯片上，利用其中的PL邏輯資源，設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單的圖像處理IP，加速DRM中的Framebuffer數(shù)據(jù)并通過(guò)HDMI顯示到LCD上。

編輯：hfy