计算机底层是怎样探访显卡的?

作者：课课家教育来源： http://www.kokojia.com点击数：839发布时间： 2017-04-01 14:23:45

本篇文章讲述了以下四种问题，如有不懂的，看完你定会明白的，请认真观看本篇文章哦~

　　1. 显卡驱动是怎么控制显卡的, 就是说, 使用那些指令控制显卡, 通过端口么?

　　2. DirectX 或 OpenGL 或 CUDA 或 OpenCL 怎么找到显卡驱动, 显卡驱动是不是要为他们提供接口的实现, 如果是, 那么DirectX和OpenGL和CUDA和OpenCL需要显卡驱动提供的接口都是什么, 这个文档在哪能下载到? 如果不是, 那么DirectX, OpenGL, CL, CUDA是怎么控制显卡的?

　　3. 显卡 ( 或其他设备 ) 可以访问内存么? 内存地址映射的原理是什么, 为什么 B8000H 到 C7FFFH 是显存的地址, 向这个地址空间写入数据后, 是直接通过总线写入显存了么, 还是依然写在内存中, 显卡到内存中读取, 如果直接写到显存了, 会出现延时和等待么?

　　4. 以上这些知识从哪些书籍上可以获得?

在回答这个问题之前，必须要有一些限定。因为显卡是有很多种，显卡所在平台也很多种，不能一概而论。我的回答都是基于Intel x86平台下的Intel自家的GEN显示核心单元(也就是市面上的HD 4000什么的)。操作系统大多数以Linux为例。

　　>>> Q1. 显卡驱动是怎么控制显卡的, 就是说, 使用那些指令控制显卡, 通过端口么?

　　目前的显卡驱动，不是单纯的一个独立的驱动模块，而是几个驱动模块的集合。用户态和内核态驱动都有。以Linux桌面系统为例，按照模块划分，内核驱动有drm/i915模块，用户驱动包括libdrm, Xorg的DDX和DIX，3D的LibGL, Video的Libva等等，各个用户态驱动可能相互依赖，相互协作，作用各不相同。限于篇幅无法一一介绍。如果按照功能划分的话，大概分成5大类，display, 2D, 3D, video, 以及General Purpose Computing 通用计算。Display是关于如何显示内容，比如分辨率啊，刷新率啊，多屏显示啊。2D现在用的很少了，基本就是画点画线加速，快速内存拷贝(也就是一种DMA)。3D就复杂了，基本现在2D的事儿也用3D干。3D涉及很多计算机图形学的知识，我的短板，我就不多说了。Video是指硬件加速的视频编解码。通用计算就是对于OpenCL，OpenCV，CUDA这些框架的支持。

　　回到问题，驱动如何控制显卡。

　　首先，操作硬件的动作是敏感动作，一般只有内核才有权限。个别情况会由用户态操作，但是也是通过内核建立寄存器映射才行。

　　理解驱动程序最重要的一句话是，寄存器是软件控制硬件的唯一途径。所以你问如何控制显卡，答案就是靠读写显卡提供的寄存器。

　　通过什么读写呢?据我所知的目前的显卡驱动，基本没有用低效的端口IO的方式读写。现在都是通过MMIO把寄存器映射的内核地址空间，然后用内存访问指令(也就是一般的C语言赋值语句)来访问。具体可以参考”内核内存映射，MMIO“的相关资料。

　　>>>Q2.2. DirectX 或 OpenGL 或 CUDA 或 OpenCL 怎么找到显卡驱动, 显卡驱动是不是要为他们提供接口的实现, 如果是, 那么DirectX和OpenGL和CUDA和OpenCL需要显卡驱动提供的接口都是什么, 这个文档在哪能下载到? 如果不是, 那么DirectX, OpenGL, CL, CUDA是怎么控制显卡的?

　　这个问题我仅仅针对OpenGL和OpenCL在Linux上的实现尝试回答一下。

　　a.关于如何找到驱动?首先这里我们要明确一下驱动程序是什么，对于OpenGL来说，有个用户态的库叫做LibGL.so，这个就是OpenGL的用户态驱动(也可以称之为库，但是一定会另外再依赖一个硬件相关的动态库，这个就是更狭义的驱动)，直接对应用程序提供API。同样，OpenCL，也有一个LibCL.so.。这些so文件都依赖下层更底层的用户态驱动作为支持(在Linux下，显卡相关的驱动，一般是一个通用层驱动.so文件提供API，然后下面接一个平台相关的.so文件提供对应的硬件支持。比如LibVA.so提供视频加速的API，i965_video_drv.so是他的后端，提供Intel平台对应libva的硬件加速的实现)。下面给你一张大图：

　　如图可见，最上层的用户态驱动向下依赖很多设备相关的驱动，最后回到Libdrm这层，这一层是内核和用户态的临界。一般在这里，想用显卡的程序会open一个/dev/dri/card0的设备节点，这个节点是由显卡内核驱动创建的。当然这个open的动作不是由应用程序直接进行的，通常会使用一些富足函数，比如drmOpenByName, drmOpenByBusID. 在此之前还会有一些查询的操作，查询板卡的名称或者Bus ID。然后调用对应的辅助函数打开设备节点。打开之后，他就可以根据DRI的规范来使用显卡的功能。我说的这一切都是有规范的，在Linux里叫DRI(Direct Rendering Infrastructure)。

　　所有这些图片文档都可以Direct Rendering Infrastructure 和 freedesktop上的页面DRI wiki找到DRI Wiki

　　显卡驱动需要实现这些接口。OpenGL的底层接口我从未了解过，也许冯东比较清楚。我说一下DirectX的。DirectX是通过COM控件来暴露接口的，也就是说API其实就是一些函数地址(对应着C++的虚函数)，显卡驱动厂商需要实现Direct3D的COM对象叫做Direct3D设备对象(这方面的记忆比较模糊，也许是错的。待我再确认一下才好取信)。假如的确是这样，那么直接看D3D文档即可。驱动本身与用户态的COM控件可以通过内存映射或者IRP的扩展内存或者管道通信，至于最佳实践是怎样的就不知道了。

显卡驱动的结构很复杂，这里有设计原因也有历史原因。

　　b.关于接口的定义，源代码都可以在我上面提供的链接里找到。这一套是规范，有协议的。

　　c.OpenGL, OpenCL或者LibVA之类的需要显卡提供点阵运算，通用计算，或者编解码服务的驱动程序，一般都是通过两种途径操作显卡。第一个是使用DRM提供的ioctl机制，就是系统调用。这类操作一般包括申请释放显存对象，映射显存对象，执行GPU指令等等。另一种是用户态驱动把用户的API语意翻译成为一组GPU指令，然后在内核驱动的帮助下(就是第一种的执行GPU指令的ioctl)把指令下达给GPU做运算。具体细节就不多说了，这些可以通过阅读源代码获得。

　　>>>Q4. 显卡 ( 或其他设备 ) 可以访问内存么? 内存地址映射的原理是什么, 为什么 B8000H 到 C7FFFH 是显存的地址, 向这个地址空间写入数据后, 是直接通过总线写入显存了么, 还是依然写在内存中, 显卡到内存中读取, 如果直接写到显存了, 会出现延时和等待么?

　　a..可以访问内存。如果访问不了，那显示的东西是从哪儿来的呢?你在硬盘的一部A片，总不能自己放到显卡里解码渲染吧?

　　b.显卡访问内存，3种主要方式。

　　第一种，就是framebuffer。CPU搞一块内存名叫Framebuffer，里面放上要显示的东西，显卡有个部件叫DIsplay Controller会扫描那块内存，然后把内容显示到屏幕上。至于具体如何配置成功的，Long story, 这里不细说了。

　　第二种，DMA。DMA懂吧?就是硬件设备直接从内存取数据，当然需要软件先配置，这就是graphics driver的活儿。在显卡驱动里，DMA还有个专用的名字叫Blit。

DMA。DMA懂吧?就是硬件设备直接从内存取数据，当然需要软件先配置，这就是graphics driver的活儿。在显卡驱动里，DMA还有个专用的名字叫Blit。

第三种，内存共享。Intel的平台，显存和内存本质都是主存。区别是CPU用的需要MMU映射，GPU用的需要GPU的MMU叫做GTT映射。所以共享内存的方法很简单，把同一个物理页既填到MMU页表里，也填到GTT页表里。具体细节和原理，依照每个人的基础不同，需要看的文档不同。。。

　　c.为什么是那个固定地址?这个地址学名叫做Aperture空间，就是为了吧显存映射到一个段连续的物理空间。为什么要映射，就是为了显卡可以连续访问一段地址。因为内存是分页的，但是硬件经常需要连续的页。其实还有一个更重要的原因是为了解决叫做tiling的关于图形内存存储形势和不同内存不一致的问题(这个太专业了对于一般人来说)。

　　这地址的起始地址是平台相关，PC平台一般由固件(BiOS之流)统筹规划总线地址空间之后为显卡特别划分一块。地址区间的大小一般也可以在固件里指定或者配置。

　　另外，还有一类地址也是高位固定划分的称为stolen memory，这个是x86平台都有的，就是窃取一块物理内存专门为最基本的图形输出使用，比如终端字符显示，framebuffer。起始地址也是固件决定，大小有默认值也可以配置。

　　d. 刚才说了，Intel的显存内存一回事儿。至于独立显卡有独立显存的平台来回答你这个问题是这样的：任何访存都是通过总线的，直接写也是通过总线写，拷贝也是通过总线拷贝;有时候需要先写入临时内存再拷贝一遍到目标区域，原因很多种;写操作都是通过PCI总线都有延迟，写谁都有。总线就是各个设备共享的资源，需要仲裁之类的机制，肯定有时候要等一下。

　　>>>Q5. 以上这些知识从哪些书籍上可以获得?

　　Intel Graphics for Linux*, 从这里看起吧少年。这类过于专业的知识，不建议在一般经验交流的平台求助，很难得到准确的答案。你这类问题，需要的就是准确答案。不然会把本来就不容易理解的问题变得更复杂

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显卡虽然看起来干很多很复杂的工作，可是真正与CPU打交道的功能并不多。