驱动开辟系列54 - Linux Graphics QXL显卡驱动代码分析（一）设备初始化 ...

一：概述

        QXL 是QEMU支持的一种假造显卡，用于假造化环境中的图形加速，旨在提高假造机的图形显示和长途桌面的用户体验；QEMU 也称 Quick Emulator，快速仿真器，是一个开源通用的仿真和假造化工具，可以模拟不同架构的盘算机以及运行假造机。本文介绍下QXL 假造显卡驱动，即Linux 内核代码中QXL显卡驱动部门。看看它是如何支持QEMU假造显卡的。 QXL代码分析基于v6.15-rc2内核版本。
二：模块初始化

        QXL 假造显卡是一个PCI设备，它必要QXL显卡驱动支持显示模式 (modeset) 设置能力，即支持在内核设置输出参数的能力（分辨率，帧率）。好比将显示器设置成1920x1080分辨率。同时QXL显卡驱动在Linux 内核代码中，它是一个独立的内核模块，代码位置是linux/drivers/gpu/drm/qxl。所以QXL内核模块的初始化方式是：

1. drm_module_pci_driver_if_modeset(qxl_pci_driver, qxl_modeset);

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        这行代码的意思是：QXL 模块告诉内核，我是一个 PCI 设备驱动模块（基于 DRM 框架），如果你支持 modeset，那我会自动注册 qxl_pci_driver。
三：PCI设备初始化

        QXL显卡是PCI设备，所以前面模块初始化时注册了qxl_pci_driver,  下面看看 qxl_pci_driver的定义；

1. static struct pci_driver qxl_pci_driver = {
2.          .name = DRIVER_NAME,
3.          .id_table = pciidlist,
4.          .probe = qxl_pci_probe,
5.          .remove = qxl_pci_remove,
6.          .shutdown = qxl_pci_shutdown,
7.          .driver.pm = &qxl_pm_ops,
8. };

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       这段代码的意思是：我这个 QXL 驱动支持这些 PCI ID，如果你发现这样的设备，就用qxl_pci_probe()  来初始化，拔出时用 qxl_pci_remove() 清理，关机时调用 qxl_pci_shutdown，必要挂起/恢复就用 qxl_pm_ops 处理。 
        下面这个 pciidlist 是 QXL 驱动和 PCI 总线的匹配表：

1. static const struct pci_device_id pciidlist[] = {
2.     { 0x1b36, 0x100, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_CLASS_DISPLAY_VGA << 8, 0xffff00, 0 },
3.     { 0x1b36, 0x100, PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, PCI_CLASS_DISPLAY_OTHER << 8, 0xffff00, 0 },
4.     { 0, 0, 0 },
5. };

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      这内里每个结构是一个 struct pci_device_id，用于匹配设备的 Vendor ID、Device ID、Class 等信息：

1. {
2.     .vendor     = 0x1b36,     // 厂商 ID（Red Hat QEMU 的 PCI 厂商 ID）
3.     .device     = 0x0100,     // 设备 ID（QXL 虚拟显卡的 ID）
4.     .subvendor  = PCI_ANY_ID, // 子系统厂商 ID（任意）
5.     .subdevice  = PCI_ANY_ID, // 子系统设备 ID（任意）
6.     .class      = PCI_CLASS_DISPLAY_VGA << 8, // 设备类（VGA 显卡类）
7.     .class_mask = 0xffff00,   // 匹配 class 的掩码
8.     .driver_data = 0          // 可用于传递自定义参数，这里设为 0
9. }

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        当内核检测到有匹配的PCI设备插入时，即检测到QXL显卡设备时，就调用设备初始化函数qxl_pci_probe，下面我们看看它做了什么工作：

2. static int
3. qxl_pci_probe(struct pci_dev *pdev, const struct pci_device_id *ent)
4. {
5.         struct qxl_device *qdev;
6.         int ret;
8.         if (pdev->revision < 4) {
9.                 DRM_ERROR("qxl too old, doesn't support client_monitors_config,"
10.                           " use xf86-video-qxl in user mode");
11.                 return -EINVAL; /* TODO: ENODEV ? */
12.         }
14.         qdev = devm_drm_dev_alloc(&pdev->dev, &qxl_driver,
15.                                   struct qxl_device, ddev);
16.         if (IS_ERR(qdev)) {
17.                 pr_err("Unable to init drm dev");
18.                 return -ENOMEM;
19.         }
21.         ret = pci_enable_device(pdev);
22.         if (ret)
23.                 return ret;
25.         ret = aperture_remove_conflicting_pci_devices(pdev, qxl_driver.name);
26.         if (ret)
27.                 goto disable_pci;
29.         if (pci_is_vga(pdev) && pdev->revision < 5) {
30.                 ret = vga_get_interruptible(pdev, VGA_RSRC_LEGACY_IO);
31.                 if (ret) {
32.                         DRM_ERROR("can't get legacy vga ioports\n");
33.                         goto disable_pci;
34.                 }
35.         }
37.         ret = qxl_device_init(qdev, pdev);
38.         if (ret)
39.                 goto put_vga;
41.         ret = qxl_modeset_init(qdev);
42.         if (ret)
43.                 goto unload;
45.         drm_kms_helper_poll_init(&qdev->ddev);
47.         /* Complete initialization. */
48.         ret = drm_dev_register(&qdev->ddev, ent->driver_data);
49.         if (ret)
50.                 goto modeset_cleanup;
52.         drm_client_setup(&qdev->ddev, NULL);
53.         return 0;
55. modeset_cleanup:
56.         qxl_modeset_fini(qdev);
57. unload:
58.         qxl_device_fini(qdev);
59. put_vga:
60.         if (pci_is_vga(pdev) && pdev->revision < 5)
61.                 vga_put(pdev, VGA_RSRC_LEGACY_IO);
62. disable_pci:
63.         pci_disable_device(pdev);
65.         return ret;
66. }

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        这个代码做的第一件事就是分配一个qxl_device设备；并注册了一个 qxl_driver 驱动，与qxl_device建立绑定关系；关于qxl_device, qxl_driver 背面再说；这里可以理解为他们是QXL设备，和对应的QXL设备驱动。  
        这个代码做的第二件事就是打开PCI BAR和使能PCI制止访问。也就是说PCI BAR 是PCI设备袒露的“资源入口”，通过它内核可以访问显卡的内存，I/O端口和使能制止，实现真正驱动硬件的能力；PCI设备可以产生制止，好比GPU渲染完成时通知CPU。
        这个代码做的第三件事就是初始化QXL设备的显存，寄存器等，这个背面再具体睁开说。
        这个代码做的第四件事就是配置QXL设备的显示输出（KMS），好比CRTC，Encoder，Connector，这个背面再具体睁开说。
        这个代码做的第五件事就是向内核注册QXL设备，这样用户空间才能通过 /dev/dri/cardX 访问到该设备。 
四：QXL设备初始化

        前面在 qxl_pci_probe 分配和初始化了 qxl_device，并将其和qxl_drvier建立了绑定关系。下面看看qxl_driver 和 qxl_device 的定义。

1. static struct drm_driver qxl_driver = {
2.         .driver_features = DRIVER_GEM | DRIVER_MODESET | DRIVER_ATOMIC | DRIVER_CURSOR_HOTSPOT,
4.         .dumb_create = qxl_mode_dumb_create,
5.         .dumb_map_offset = drm_gem_ttm_dumb_map_offset,
6. #if defined(CONFIG_DEBUG_FS)
7.         .debugfs_init = qxl_debugfs_init,
8. #endif
9.         .gem_prime_import_sg_table = qxl_gem_prime_import_sg_table,
10.         DRM_FBDEV_TTM_DRIVER_OPS,
11.         .fops = &qxl_fops,
12.         .ioctls = qxl_ioctls,
13.         .num_ioctls = ARRAY_SIZE(qxl_ioctls),
14.         .name = DRIVER_NAME,
15.         .desc = DRIVER_DESC,
16.         .major = 0,
17.         .minor = 1,
18.         .patchlevel = 0,
20.         .release = qxl_drm_release,
21. };

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        这个代码定义了一个 drm_driver 结构体，从这里也可以看出，QXL驱动确实是基于DRM框架的（DRM介绍详见本专栏的相关文章）。 drm_device 是QXL显卡在Linux DRM 框架中的核心驱动结构，这个结构注册后会与DRM核心框架配合，为显卡提供设备初始化，缓冲区管理，图形输出等功能。 

2. struct qxl_device {
3.         struct drm_device ddev;
5.         resource_size_t vram_base, vram_size;
6.         resource_size_t surfaceram_base, surfaceram_size;
7.         resource_size_t rom_base, rom_size;
8.         struct qxl_rom *rom;
10.         struct qxl_mode *modes;
11.         struct qxl_bo *monitors_config_bo;
12.         struct qxl_monitors_config *monitors_config;
14.         /* last received client_monitors_config */
15.         struct qxl_monitors_config *client_monitors_config;
17.         int io_base;
18.         void *ram;
19.         struct qxl_mman                mman;
20.         struct qxl_gem                gem;
22.         void *ram_physical;
24.         struct qxl_ring *release_ring;
25.         struct qxl_ring *command_ring;
26.         struct qxl_ring *cursor_ring;
28.         struct qxl_ram_header *ram_header;
30.         struct qxl_bo *primary_bo;
31.         struct qxl_bo *dumb_shadow_bo;
32.         struct qxl_head *dumb_heads;
34.         struct qxl_memslot main_slot;
35.         struct qxl_memslot surfaces_slot;
37.         spinlock_t        release_lock;
38.         struct idr        release_idr;
39.         uint32_t        release_seqno;
40.         atomic_t        release_count;
41.         wait_queue_head_t release_event;
42.         spinlock_t release_idr_lock;
43.         struct mutex        async_io_mutex;
44.         unsigned int last_sent_io_cmd;
46.         /* interrupt handling */
47.         atomic_t irq_received;
48.         atomic_t irq_received_display;
49.         atomic_t irq_received_cursor;
50.         atomic_t irq_received_io_cmd;
51.         unsigned int irq_received_error;
52.         wait_queue_head_t display_event;
53.         wait_queue_head_t cursor_event;
54.         wait_queue_head_t io_cmd_event;
55.         struct work_struct client_monitors_config_work;
57.         /* debugfs */
58.         struct qxl_debugfs        debugfs[QXL_DEBUGFS_MAX_COMPONENTS];
59.         unsigned int debugfs_count;
61.         struct mutex                update_area_mutex;
63.         struct idr        surf_id_idr;
64.         spinlock_t surf_id_idr_lock;
65.         int last_alloced_surf_id;
67.         struct mutex surf_evict_mutex;
68.         struct io_mapping *vram_mapping;
69.         struct io_mapping *surface_mapping;
71.         /* */
72.         struct mutex release_mutex;
73.         struct qxl_bo *current_release_bo[3];
74.         int current_release_bo_offset[3];
76.         struct work_struct gc_work;
78.         struct drm_property *hotplug_mode_update_property;
79.         int monitors_config_width;
80.         int monitors_config_height;
81. };

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        qxl_device 是QXL DRM驱动中定义的“设备结构体”，代表一个QXL显卡实例，在驱动运行时用于管理显卡的状态、资源、内存和与内核/用户空间交互。它是QXL驱动的核心数据结构，每个被探测到的QXL设备（好比前面说的通过PCI探测）都会分配这样一个结构并初始化，贯穿设备的整个生命周期。 
        下面看看QXL设备驱动是如何操作QXL设备的。


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