一帧画面怎么上屏：buffer、fence、plane 和 KMS

结论：GPU 把像素写进 buffer，fence 通知下游这块 buffer 什么时候写完，plane 从 buffer 里取图，CRTC 把多个 plane 混成一帧并按刷新率扫描到屏上。 KMS 是内核提供的显示接口，负责管理 plane、CRTC 这些显示对象。Android 和 Hyprland 都建在这套模型上，看懂它，后面两套框架就只剩“谁来调用”的差别。

本文按三个视图展开：物理视图讲硬件怎么分工，逻辑视图讲 KMS 怎么描述显示通路，进程视图讲一块 buffer 在一帧里怎么流转。

物理视图：渲染和显示由两块独立硬件完成，靠 DDR 里的 buffer 交接

GPU 和显示控制器之间没有直连的数据通路，它们只通过 DDR 里的 buffer 交接。

1. CPU 写命令：应用和合成器通过驱动，把渲染命令写进 DDR 里的命令队列，再通知 GPU。
2. GPU 写像素：Mali 执行命令，把算出的像素写进 buffer。GPU 经自己的 MMU 访问内存，不同进程的地址空间互相隔离。
3. 视频解码器写视频帧：解码器直接输出 YUV 格式的帧。这一路不经过 GPU。
4. 显示控制器读 buffer：显示控制器按刷新率，每帧从 DDR 读出要显示的 buffer。它内部有多个 plane，可以同时读多块 buffer，在扫描时实时混合。
5. 送屏：混合好的像素流经 DSI 接口送到屏幕。

几个术语的区别：

术语	指什么	谁来做
渲染	根据绘图命令算出像素，写进 buffer	GPU（也可以是 CPU 软件渲染）
合成	把多个窗口的 buffer 拼成一帧	GPU，或显示控制器的 plane
显示	按固定时序把 buffer 扫描输出到屏幕	显示控制器

合成有两种做法，这是后面两套框架最大的区别：

• GPU 合成：再渲染一次，把各窗口画进一块新 buffer。要多写一整帧，耗电。
• plane 叠加：显示控制器扫描时逐行混合多块 buffer，不产生新 buffer，省电。

逻辑视图：KMS 用六类对象描述显示通路，合成器每帧做一次 atomic 提交

KMS 把显示通路抽象成一串对象，每类对象对应一段硬件。合成器不直接写寄存器，而是修改这些对象的属性，每帧一次性提交。

• GEM 对象：内核里的一块 buffer。传给别的驱动或别的进程时，导出成 dma-buf 文件描述符。
• framebuffer：GEM 对象加上宽高、像素格式和 modifier（内存排布方式，例如线性、分块、AFBC 压缩）。它只是一份描述，没有对应硬件。
• plane：显示控制器里的图层通道。每个 plane 从一个 framebuffer 里取一块区域，做缩放、旋转、格式转换，放到屏幕的指定位置。数量有限，能力也不尽相同，有的不支持 YUV，有的不能缩放。
• CRTC：混合器加时序发生器。它把挂在自己上面的所有 plane 混成一帧，按刷新率扫描输出。
• encoder / bridge：把像素流转成 DSI、eDP、HDMI 等接口信号。
• connector：代表一块屏幕，提供支持的分辨率、刷新率和热插拔状态。

atomic 提交是 KMS 的核心接口。合成器把这一帧所有对象的属性改动打包成一次请求：

• 内核要么全部生效，要么全部不生效。所有 plane 在同一个 VSYNC 切换，不会出现半新半旧的画面。
• 请求带上 TEST_ONLY 标志时，只检查不生效。合成器可以先试探硬件能否接受某种 plane 分配，再决定正式提交什么。

DRM 和 KMS 的关系：DRM 是内核整个图形子系统，KMS 是其中管显示的部分。DRM 还包括渲染和显存管理。在 SoC 上，GPU 驱动和显示控制器驱动通常是两个独立驱动，各用 DRM 的一半：

驱动	用到 DRM 的哪部分	设备节点
显示控制器驱动	KMS + 显存，不做渲染	/dev/dri/card0
上游 Mali 驱动 panthor	渲染 + 显存，没有 KMS	/dev/dri/renderD128
Arm 的 Mali 驱动 kbase	不是 DRM 驱动，自成一套接口	/dev/mali0

我们的 Android 用的是 kbase，所以 GPU 和显示控制器之间唯一的公共语言是 dma-buf 和 fence。

进程视图：一块 buffer 每帧转一圈，fence 保证读写不冲突

GPU 和显示控制器都异步工作：应用提交渲染命令后马上返回，GPU 可能还没开始画；显示控制器正在读的 buffer，也不能被同时改写。fence 就是解决这两个问题的“完成通知”：硬件做完时，它从未触发变成已触发。fence 可以变成一个文件描述符（sync_file）跨进程传递。

一块 buffer 在一帧里要经过四个状态和两个 fence：

1. 空闲 → GPU 在写：应用取到一块空闲 buffer。GPU 动笔前要等 release fence，确认上一轮的读者（显示控制器或合成器）已经放手。
2. GPU 在写 → 已交给合成器：应用提交渲染命令后立刻把 buffer 交出去，不等 GPU 画完，同时附上 acquire fence，GPU 写完时它才触发。
3. 已交给合成器 → 正在显示：合成器等 acquire fence 触发后，在下一个 VSYNC 把 plane 切到这块 buffer。
4. 正在显示 → 空闲：下一帧换上别的 buffer 后，显示控制器不再读这块，内核触发 release fence，buffer 回到空闲。

一个窗口通常有两三块 buffer 轮流转。屏幕上显示一块的同时，GPU 在画另一块，所以屏幕上永远是一帧完整的画面。

fence 有两种传法，后面两套框架各用一种：

方式	做法	谁在用
显式同步	fence 变成 sync_file，跟着 buffer 一起显式传递	Android 全程使用
隐式同步	fence 挂在 dma-buf 内部的预约对象（dma_resv）上，读者从 buffer 本身取	Linux 桌面的客户端大多仍用这种

术语速查

术语	一句话解释
buffer	内存里按图像格式组织的一块区域
dma-buf	内核里跨驱动、跨进程共享 buffer 的机制，用户态拿到的是一个文件描述符
modifier	buffer 的内存排布方式；GPU 和显示控制器必须对它理解一致
fence / sync_file	“某件事做完了”的通知；sync_file 是它的文件描述符形式
plane	显示控制器的图层通道
CRTC	混合各 plane 并按时序扫描输出的部件
atomic 提交	一次性修改所有显示对象属性的 KMS 接口，全部生效或全部不生效
VSYNC	屏幕开始刷新新一帧的时刻，切换 buffer 都对齐它