Linux DRM - 구조와 전체 그림

Linux DRM - 구조와 전체 그림

Reqruies

Kernel: Linux v6.19 소스 기준
Library: libdrm 2.4.129

Introduction

Why DRM Was Needed

• fbdev (/dev/fb0): 화면 메모리 하나를 mmap해서 그냥 픽셀을 쓰는 단순한 방식입니다. 3D 가속이나 여러 화면, 해상도 변경 같은 기능이 없습니다.
• X 서버가 하드웨어를 직접 제어: X 서버가 root 권한으로 그래픽 카드 레지스터에 접근해서 해상도(모드)도 설정하고 3D 명령도 직접 보냈습니다.

• 3D 앱이 GPU를 직접 쓰려면 커널이 GPU 접근을 중재해야 하는데, 그 장치가 없었습니다(여러 프로세스가 GPU를 동시에 쓰면 서로 망가뜨립니다).
• 해상도 설정(mode setting)이 유저 공간에 있어서, 콘솔과 X를 오갈 때 화면이 깜빡이고 부팅 초기 화면을 제어할 수 없었습니다.
• X 서버가 root여야 해서 보안이 취약했습니다.

The Full Stack

Linux 그래픽 스택에서 DRM의 위치
Mermaid
flowchart TB
    subgraph US["User space"]
        APP["3D 앱 / 게임<br/>OpenGL · Vulkan"]
        COMP["디스플레이 서버<br/>Wayland compositor · Xorg"]
        MESA["Mesa<br/>user-mode GPU driver"]
        LIBDRM["libdrm"]
    end
    subgraph KS["Kernel space"]
        NR["/dev/dri/renderD128<br/>render node"]
        NC["/dev/dri/card0<br/>primary node"]
        CORE["DRM core<br/>drm_drv.c · drm_ioctl.c · drm_gem.c ..."]
        HELP["DRM helpers<br/>atomic · gem_shmem · gpu scheduler"]
        DRV["GPU / display driver<br/>i915 · amdgpu · v3d · vkms ..."]
    end
    HW["GPU + display controller + 모니터"]
    APP --> MESA --> LIBDRM
    COMP --> LIBDRM
    LIBDRM -->|"ioctl · mmap"| NR
    LIBDRM -->|"ioctl · read"| NC
    NR --> CORE
    NC --> CORE
    CORE --> HELP --> DRV
    CORE --> DRV
    DRV --> HW

• 앱은 OpenGL/Vulkan으로 그립니다. 이 API를 구현하는 Mesa가 GPU 전용 명령(셰이더, 상태 설정)을 만들어 줍니다. 이 부분을 user-mode driver(UMD)라고 부릅니다.
• libdrm은 ioctl()을 감싼 얇은 C 라이브러리입니다. 즉 유저 공간이 DRM과 대화하는 방법은 결국 /dev/dri/* 파일을 열고 ioctl, mmap, read 하는 것뿐입니다.
• 커널 쪽은 공통 코드인 DRM core, 여러 드라이버가 공유하는 helper, 그리고 하드웨어마다 다른 드라이버로 나뉩니다.

Two Jobs of DRM

Device Nodes: /dev/dri and sysfs

DRM 장치 노드 확인
shell

• 주 번호(major)는 226이고 이름이 drm입니다. 이것은 커널이 부팅 중에 등록한 값입니다(아래 코드에서 확인합니다).
• card0은 부 번호(minor) 0, renderD128은 128입니다. 부 번호 범위가 노드 종류마다 다르다는 뜻입니다.
• card0-DP-1, card0-HDMI-A-1처럼 connector도 sysfs에 나타납니다.

drivers/gpu/drm/drm_drv.c - #define DRM_MINOR_LIMIT (L136-139)
c

소스 drivers/gpu/drm/drm_drv.c L136-L139 (Linux v6.19)

include/drm/drm_file.h - enum drm_minor_type (L61-66)
c

소스 include/drm/drm_file.h L61-L66 (Linux v6.19)

• primary(DRM_MINOR_PRIMARY = 0)는 부 번호 0~63, render(DRM_MINOR_RENDER = 2)는 64 * 2 = 128부터 시작합니다. 위 ls 결과의 226, 128이 정확히 이 계산입니다.
• 이름은 drm_sysfs_minor_alloc()에서 정해집니다.

drivers/gpu/drm/drm_sysfs.c - drm_sysfs_minor_alloc() (L551-591)
c

소스 drivers/gpu/drm/drm_sysfs.c L551-L591 (Linux v6.19)

How card0 Differs from renderD128

include/drm/drm_ioctl.h - enum drm_ioctl_flags (L80-122)
c

소스 include/drm/drm_ioctl.h L80-L122 (Linux v6.19)

drivers/gpu/drm/drm_ioctl.c - drm_ioctl_permit() (L599-621)
c

소스 drivers/gpu/drm/drm_ioctl.c L599-L621 (Linux v6.19)

• DRM_MASTER가 붙은 ioctl은 현재 master만 호출할 수 있습니다. 대표적으로 DRM_IOCTL_MODE_ATOMIC이 그렇습니다.
• render node(drm_is_render_client)는 DRM_RENDER_ALLOW가 명시된 ioctl만 쓸 수 있습니다. 그래서 DRM_IOCTL_VERSION, DRM_IOCTL_PRIME_HANDLE_TO_FD는 render node에서 되지만, DRM_IOCTL_MODE_CREATE_DUMB는 flags가 0이라 render node에서 거부됩니다.

drivers/gpu/drm/drm_auth.c - drm_master_open() (L317-335)
c

소스 drivers/gpu/drm/drm_auth.c L317-L335 (Linux v6.19)

Struct Relationships Inside DRM Core

drm_driver · drm_device · drm_minor · drm_file 의 관계
Mermaid
flowchart TB
    DRIVER["struct drm_driver<br/>드라이버가 정의하는 const 템플릿<br/>name · driver_features · fops · ioctls · dumb_create ..."]
    DEV["struct drm_device<br/>물리 장치 1개의 인스턴스<br/>filelist · mode_config · vblank ..."]
    PRI["drm_minor : primary<br/>card0 · 226:0"]
    REN["drm_minor : render<br/>renderD128 · 226:128"]
    F1["drm_file<br/>프로세스 A의 open()"]
    F2["drm_file<br/>프로세스 B의 open()"]
    PF["open마다 따로 가지는 것<br/>object_idr : GEM handle 표 · fbs : 만든 framebuffer<br/>event_list : 이벤트 큐 · master · atomic 설정"]
    DRIVER -->|"dev->driver"| DEV
    DEV --> PRI
    DEV --> REN
    PRI --> F1
    REN --> F2
    F1 --- PF

drm_driver: The Template Drivers Fill In

include/drm/drm_drv.h - struct drm_driver (L181-434)
c

소스 include/drm/drm_drv.h L181-L434 (Linux v6.19)

• driver_features: DRIVER_GEM, DRIVER_MODESET, DRIVER_RENDER, DRIVER_ATOMIC 같은 비트 플래그입니다. DRM core는 이 값을 보고 어떤 기능을 켤지 정합니다(예: DRIVER_RENDER가 있어야 render node를 만듭니다).
• fops: /dev/dri/cardN에 대한 file_operations입니다. 대부분의 드라이버가 매크로 하나를 씁니다(아래에서 확인합니다).
• ioctls, num_ioctls: 드라이버만의 ioctl 표입니다. 번호 범위는 0x40~0xA0입니다(DRM_COMMAND_BASE, DRM_COMMAND_END).
• dumb_create, gem_prime_import_sg_table 등: 코어가 부르는 드라이버 콜백입니다. 코어는 공통 일을 하고, 하드웨어에 따라 다른 부분은 이 콜백에 위임합니다. 이 패턴이 DRM 전체를 관통합니다.

include/drm/drm_drv.h - enum drm_driver_feature (L57-170)
c

소스 include/drm/drm_drv.h L57-L170 (Linux v6.19)

drm_file: One per open()

include/drm/drm_file.h - struct drm_file (L164-420)
c

소스 include/drm/drm_file.h L164-L420 (Linux v6.19)

• object_idr: 유저에게 보이는 GEM handle을 커널 객체로 바꾸는 표입니다. handle이 fd(drm_file)마다 따로라는 뜻입니다.
• event_list, pending_event_list: page flip 완료 같은 이벤트를 쌓아 두는 큐입니다. 유저는 이 fd를 read()해서 꺼냅니다.
• atomic, universal_planes: drmSetClientCap()으로 켜는 클라이언트 기능입니다. atomic ioctl은 이게 켜져 있어야 동작합니다.
• master, is_master: 이 파일이 화면 제어 권한을 가졌는지 나타냅니다.

Source Tree Map

Code Locations

Summary

• DRM은 렌더링(GPU)과 디스플레이(KMS)를 커널이 중재하는 서브시스템이고, 유저 공간은 /dev/dri/*의 ioctl, mmap, read로만 접근합니다.
• 장치 노드는 주 번호 226에 primary(card)와 render(renderD)가 있고, 권한 차이는 ioctl 플래그(DRM_MASTER, DRM_RENDER_ALLOW)로 강제됩니다.
• 구조는 drm_driver(템플릿) → drm_device(장치) → drm_minor(노드) → drm_file(open)이며, 코어가 공통 일을 하고 하드웨어 전용 부분은 드라이버 콜백에 위임합니다.