图形子系统是Linux系统中比较复杂的子系统之一，这篇文章会逐步解释其涉及到的相关模块。我们先通过下面这张架构图对图形子系统有个大概的认知，在看完后面的知识后，再返过来加深理解。

图形硬件：内存

首先我们的图形数据会存储在哪里?

• Framebuffers 是内存中用来放像素的区域。
• 内存的位置取决于下面的情况：系统内存还是专用的图形内存，是分页管理的还是连续的内存？
• 存储时采用什么的格式，如何修改，是否采用压缩格式？

系统如何访问显存？

• 内存访问有DMA，IOMMU硬件设备。
• Linux系统有高速缓冲cache或者总线映射来访问内存。

图形硬件：显示

如何将内存中的数据显示到屏幕？这里包含一系列的流程：

• 首先会进行像素混合，对各平面/图层的混合操作包含旋转、缩放、格式化等。
• 其次定时器生成，拥有一张已经合成好的图片之后，需要通过正确的时序将图片发送出给显示器，为了兼容老的CRT显示器，常常叫做CRTC。
• 然后是接口层，像素以正确的时序发送后，会到达显示协议控制器(Display Protocol Controller),像素会以某个协议(HDMI)编码，并且该接口层会负责物理链路上信号的发送和接受，如HDMI的TMDS。
• 再然后是转码，为了链接不同的显示接口，通常还会有一个桥接装置用来做编码的转换。此步骤可选。
• 最后是显示，通过不同线缆连接到各种显示器

图形硬件：GPU渲染

如何根据几何体产生像素？

• GPUs负责渲染3D和2D图像。
• GPUs的渲染功能通常包括带有着色器的可编程的渲染管线，专用的矢量/SIMD指令集，纹理缓存和映射单元，移动平台上的Tiled Framebuffer功能。
• 需要有各种Shader(GLSL，HLSL)的编译器。
• GPUs除了可编程的着色阶段外，还允许通过命令配置一些特性。

图形APIs：Linux 内核

Linux内核提供了对底层硬件功能的低级访问。其中包含一些内核子系统和用户态API。

• Fbdev 是老的用来管理显卡的Framebuffer,缺失了很多现代GPU的功能支持。
• DRM是Linux中的现代图形子系统。其中包括KMS(Kernel Mode Setting)，GEM(Graphics Execution Manager)。KMS是为了让显卡正常工作，提供设置模式（屏幕分辨率、颜色深度和刷新率等）。GEM则负责Buffer的管理(分配，共享，同步等)。
• libdrm则在用户态封装了DRM的系统调用。

图形APIs：用户态显示

帮助应用显示内容，这里面包含低级的显示服务APIs:

• X11是很古老的显示服务器协议，它是网络协议，存在很多问题。与之相关的低级库包括xlib, xcb。
• Wayland是现代通信协议，在安全性方面很出色。这个协议包括libwayland-{display, server} 。

高级的图形库、工具集包括：

• Qt, GTK, EFL这些widget-based 工具集。
• SDL(Simple Direct Media Layer)是一套开源的跨平台多媒体开发库。

图形APIs：用户态2D渲染

给用户提供2D的渲染操作，这其中包括一些我们常用的库：

• 基本的向量绘制库Cairo，Skia。
• 字体渲染引擎Freetype和Harfbuzz。
• 像素操作库如Pixman(像素处理的底层软件库，提供图像合成和梯形光栅化等功能)，FFmpeg swscale(图像数据格式转换及图片的缩放)，GMIC(实用的GIMP插件,包含一个完整的图像处理工具箱)。
• UI渲染会包括一些图形工具集合，还有ImGUI(immediate mode gui，没有状态很难做布局，动画等)。

图形APIs：用户态3D渲染

提供高级访问3D渲染，这其中包括一些标准的APIs:

• OpenGL(ES) 功能强大基于状态的图形API，它使用GLSL作为着色器语言。
• EGL本地窗口系统的集成API，GBM是一个极简的API，它提供了一种为与Mesa相关的图形渲染缓冲区分配机制，基于DRM的EGL。
• Vulkan是下一代图形API，使用SPIR-V作为着色器的中间描述语言。

OpenGL虽然被广泛使用，但是没有开源。Mesa3D是类OpenGL的开源实现，使用DRM。

总结

Linux的图形子系统确实比较复杂，上面只是简单列出了其中的模块及相关功能，大家可以根据自己的兴趣对每个子模块做深入学习。