Documentation/gpu/drm-uapi.rst

   1 .. Copyright 2020 DisplayLink (UK) Ltd.
   2
   3 ===================
   4 Userland interfaces
   5 ===================
   6
   7 The DRM core exports several interfaces to applications, generally
   8 intended to be used through corresponding libdrm wrapper functions. In
   9 addition, drivers export device-specific interfaces for use by userspace
  10 drivers & device-aware applications through ioctls and sysfs files.
  11
  12 External interfaces include: memory mapping, context management, DMA
  13 operations, AGP management, vblank control, fence management, memory
  14 management, and output management.
  15
  16 Cover generic ioctls and sysfs layout here. We only need high-level
  17 info, since man pages should cover the rest.
  18
  19 libdrm Device Lookup
  20 ====================
  21
  22 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_ioctl.c
  23    :doc: getunique and setversion story
  24
  25
  26 .. _drm_primary_node:
  27
  28 Primary Nodes, DRM Master and Authentication
  29 ============================================
  30
  31 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_auth.c
  32    :doc: master and authentication
  33
  34 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_auth.c
  35    :export:
  36
  37 .. kernel-doc:: include/drm/drm_auth.h
  38    :internal:
  39
  40
  41 .. _drm_leasing:
  42
  43 DRM Display Resource Leasing
  44 ============================
  45
  46 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_lease.c
  47    :doc: drm leasing
  48
  49 Open-Source Userspace Requirements
  50 ==================================
  51
  52 The DRM subsystem has stricter requirements than most other kernel subsystems on
  53 what the userspace side for new uAPI needs to look like. This section here
  54 explains what exactly those requirements are, and why they exist.
  55
  56 The short summary is that any addition of DRM uAPI requires corresponding
  57 open-sourced userspace patches, and those patches must be reviewed and ready for
  58 merging into a suitable and canonical upstream project.
  59
  60 GFX devices (both display and render/GPU side) are really complex bits of
  61 hardware, with userspace and kernel by necessity having to work together really
  62 closely.  The interfaces, for rendering and modesetting, must be extremely wide
  63 and flexible, and therefore it is almost always impossible to precisely define
  64 them for every possible corner case. This in turn makes it really practically
  65 infeasible to differentiate between behaviour that's required by userspace, and
  66 which must not be changed to avoid regressions, and behaviour which is only an
  67 accidental artifact of the current implementation.
  68
  69 Without access to the full source code of all userspace users that means it
  70 becomes impossible to change the implementation details, since userspace could
  71 depend upon the accidental behaviour of the current implementation in minute
  72 details. And debugging such regressions without access to source code is pretty
  73 much impossible. As a consequence this means:
  74
  75 - The Linux kernel's "no regression" policy holds in practice only for
  76   open-source userspace of the DRM subsystem. DRM developers are perfectly fine
  77   if closed-source blob drivers in userspace use the same uAPI as the open
  78   drivers, but they must do so in the exact same way as the open drivers.
  79   Creative (ab)use of the interfaces will, and in the past routinely has, lead
  80   to breakage.
  81
  82 - Any new userspace interface must have an open-source implementation as
  83   demonstration vehicle.
  84
  85 The other reason for requiring open-source userspace is uAPI review. Since the
  86 kernel and userspace parts of a GFX stack must work together so closely, code
  87 review can only assess whether a new interface achieves its goals by looking at
  88 both sides. Making sure that the interface indeed covers the use-case fully
  89 leads to a few additional requirements:
  90
  91 - The open-source userspace must not be a toy/test application, but the real
  92   thing. Specifically it needs to handle all the usual error and corner cases.
  93   These are often the places where new uAPI falls apart and hence essential to
  94   assess the fitness of a proposed interface.
  95
  96 - The userspace side must be fully reviewed and tested to the standards of that
  97   userspace project. For e.g. mesa this means piglit testcases and review on the
  98   mailing list. This is again to ensure that the new interface actually gets the
  99   job done.  The userspace-side reviewer should also provide an Acked-by on the
 100   kernel uAPI patch indicating that they believe the proposed uAPI is sound and
 101   sufficiently documented and validated for userspace's consumption.
 102
 103 - The userspace patches must be against the canonical upstream, not some vendor
 104   fork. This is to make sure that no one cheats on the review and testing
 105   requirements by doing a quick fork.
 106
 107 - The kernel patch can only be merged after all the above requirements are met,
 108   but it **must** be merged to either drm-next or drm-misc-next **before** the
 109   userspace patches land. uAPI always flows from the kernel, doing things the
 110   other way round risks divergence of the uAPI definitions and header files.
 111
 112 These are fairly steep requirements, but have grown out from years of shared
 113 pain and experience with uAPI added hastily, and almost always regretted about
 114 just as fast. GFX devices change really fast, requiring a paradigm shift and
 115 entire new set of uAPI interfaces every few years at least. Together with the
 116 Linux kernel's guarantee to keep existing userspace running for 10+ years this
 117 is already rather painful for the DRM subsystem, with multiple different uAPIs
 118 for the same thing co-existing. If we add a few more complete mistakes into the
 119 mix every year it would be entirely unmanageable.
 120
 121 .. _drm_render_node:
 122
 123 Render nodes
 124 ============
 125
 126 DRM core provides multiple character-devices for user-space to use.
 127 Depending on which device is opened, user-space can perform a different
 128 set of operations (mainly ioctls). The primary node is always created
 129 and called card<num>. Additionally, a currently unused control node,
 130 called controlD<num> is also created. The primary node provides all
 131 legacy operations and historically was the only interface used by
 132 userspace. With KMS, the control node was introduced. However, the
 133 planned KMS control interface has never been written and so the control
 134 node stays unused to date.
 135
 136 With the increased use of offscreen renderers and GPGPU applications,
 137 clients no longer require running compositors or graphics servers to
 138 make use of a GPU. But the DRM API required unprivileged clients to
 139 authenticate to a DRM-Master prior to getting GPU access. To avoid this
 140 step and to grant clients GPU access without authenticating, render
 141 nodes were introduced. Render nodes solely serve render clients, that
 142 is, no modesetting or privileged ioctls can be issued on render nodes.
 143 Only non-global rendering commands are allowed. If a driver supports
 144 render nodes, it must advertise it via the DRIVER_RENDER DRM driver
 145 capability. If not supported, the primary node must be used for render
 146 clients together with the legacy drmAuth authentication procedure.
 147
 148 If a driver advertises render node support, DRM core will create a
 149 separate render node called renderD<num>. There will be one render node
 150 per device. No ioctls except PRIME-related ioctls will be allowed on
 151 this node. Especially GEM_OPEN will be explicitly prohibited. For a
 152 complete list of driver-independent ioctls that can be used on render
 153 nodes, see the ioctls marked DRM_RENDER_ALLOW in drm_ioctl.c  Render
 154 nodes are designed to avoid the buffer-leaks, which occur if clients
 155 guess the flink names or mmap offsets on the legacy interface.
 156 Additionally to this basic interface, drivers must mark their
 157 driver-dependent render-only ioctls as DRM_RENDER_ALLOW so render
 158 clients can use them. Driver authors must be careful not to allow any
 159 privileged ioctls on render nodes.
 160
 161 With render nodes, user-space can now control access to the render node
 162 via basic file-system access-modes. A running graphics server which
 163 authenticates clients on the privileged primary/legacy node is no longer
 164 required. Instead, a client can open the render node and is immediately
 165 granted GPU access. Communication between clients (or servers) is done
 166 via PRIME. FLINK from render node to legacy node is not supported. New
 167 clients must not use the insecure FLINK interface.
 168
 169 Besides dropping all modeset/global ioctls, render nodes also drop the
 170 DRM-Master concept. There is no reason to associate render clients with
 171 a DRM-Master as they are independent of any graphics server. Besides,
 172 they must work without any running master, anyway. Drivers must be able
 173 to run without a master object if they support render nodes. If, on the
 174 other hand, a driver requires shared state between clients which is
 175 visible to user-space and accessible beyond open-file boundaries, they
 176 cannot support render nodes.
 177
 178 Device Hot-Unplug
 179 =================
 180
 181 .. note::
 182    The following is the plan. Implementation is not there yet
 183    (2020 May).
 184
 185 Graphics devices (display and/or render) may be connected via USB (e.g.
 186 display adapters or docking stations) or Thunderbolt (e.g. eGPU). An end
 187 user is able to hot-unplug this kind of devices while they are being
 188 used, and expects that the very least the machine does not crash. Any
 189 damage from hot-unplugging a DRM device needs to be limited as much as
 190 possible and userspace must be given the chance to handle it if it wants
 191 to. Ideally, unplugging a DRM device still lets a desktop continue to
 192 run, but that is going to need explicit support throughout the whole
 193 graphics stack: from kernel and userspace drivers, through display
 194 servers, via window system protocols, and in applications and libraries.
 195
 196 Other scenarios that should lead to the same are: unrecoverable GPU
 197 crash, PCI device disappearing off the bus, or forced unbind of a driver
 198 from the physical device.
 199
 200 In other words, from userspace perspective everything needs to keep on
 201 working more or less, until userspace stops using the disappeared DRM
 202 device and closes it completely. Userspace will learn of the device
 203 disappearance from the device removed uevent, ioctls returning ENODEV
 204 (or driver-specific ioctls returning driver-specific things), or open()
 205 returning ENXIO.
 206
 207 Only after userspace has closed all relevant DRM device and dmabuf file
 208 descriptors and removed all mmaps, the DRM driver can tear down its
 209 instance for the device that no longer exists. If the same physical
 210 device somehow comes back in the mean time, it shall be a new DRM
 211 device.
 212
 213 Similar to PIDs, chardev minor numbers are not recycled immediately. A
 214 new DRM device always picks the next free minor number compared to the
 215 previous one allocated, and wraps around when minor numbers are
 216 exhausted.
 217
 218 The goal raises at least the following requirements for the kernel and
 219 drivers.
 220
 221 Requirements for KMS UAPI
 222 -------------------------
 223
 224 - KMS connectors must change their status to disconnected.
 225
 226 - Legacy modesets and pageflips, and atomic commits, both real and
 227   TEST_ONLY, and any other ioctls either fail with ENODEV or fake
 228   success.
 229
 230 - Pending non-blocking KMS operations deliver the DRM events userspace
 231   is expecting. This applies also to ioctls that faked success.
 232
 233 - open() on a device node whose underlying device has disappeared will
 234   fail with ENXIO.
 235
 236 - Attempting to create a DRM lease on a disappeared DRM device will
 237   fail with ENODEV. Existing DRM leases remain and work as listed
 238   above.
 239
 240 Requirements for Render and Cross-Device UAPI
 241 ---------------------------------------------
 242
 243 - All GPU jobs that can no longer run must have their fences
 244   force-signalled to avoid inflicting hangs on userspace.
 245   The associated error code is ENODEV.
 246
 247 - Some userspace APIs already define what should happen when the device
 248   disappears (OpenGL, GL ES: `GL_KHR_robustness`_; `Vulkan`_:
 249   VK_ERROR_DEVICE_LOST; etc.). DRM drivers are free to implement this
 250   behaviour the way they see best, e.g. returning failures in
 251   driver-specific ioctls and handling those in userspace drivers, or
 252   rely on uevents, and so on.
 253
 254 - dmabuf which point to memory that has disappeared will either fail to
 255   import with ENODEV or continue to be successfully imported if it would
 256   have succeeded before the disappearance. See also about memory maps
 257   below for already imported dmabufs.
 258
 259 - Attempting to import a dmabuf to a disappeared device will either fail
 260   with ENODEV or succeed if it would have succeeded without the
 261   disappearance.
 262
 263 - open() on a device node whose underlying device has disappeared will
 264   fail with ENXIO.
 265
 266 .. _GL_KHR_robustness: https://www.khronos.org/registry/OpenGL/extensions/KHR/KHR_robustness.txt
 267 .. _Vulkan: https://www.khronos.org/vulkan/
 268
 269 Requirements for Memory Maps
 270 ----------------------------
 271
 272 Memory maps have further requirements that apply to both existing maps
 273 and maps created after the device has disappeared. If the underlying
 274 memory disappears, the map is created or modified such that reads and
 275 writes will still complete successfully but the result is undefined.
 276 This applies to both userspace mmap()'d memory and memory pointed to by
 277 dmabuf which might be mapped to other devices (cross-device dmabuf
 278 imports).
 279
 280 Raising SIGBUS is not an option, because userspace cannot realistically
 281 handle it. Signal handlers are global, which makes them extremely
 282 difficult to use correctly from libraries like those that Mesa produces.
 283 Signal handlers are not composable, you can't have different handlers
 284 for GPU1 and GPU2 from different vendors, and a third handler for
 285 mmapped regular files. Threads cause additional pain with signal
 286 handling as well.
 287
 288 .. _drm_driver_ioctl:
 289
 290 IOCTL Support on Device Nodes
 291 =============================
 292
 293 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_ioctl.c
 294    :doc: driver specific ioctls
 295
 296 Recommended IOCTL Return Values
 297 -------------------------------
 298
 299 In theory a driver's IOCTL callback is only allowed to return very few error
 300 codes. In practice it's good to abuse a few more. This section documents common
 301 practice within the DRM subsystem:
 302
 303 ENOENT:
 304         Strictly this should only be used when a file doesn't exist e.g. when
 305         calling the open() syscall. We reuse that to signal any kind of object
 306         lookup failure, e.g. for unknown GEM buffer object handles, unknown KMS
 307         object handles and similar cases.
 308
 309 ENOSPC:
 310         Some drivers use this to differentiate "out of kernel memory" from "out
 311         of VRAM". Sometimes also applies to other limited gpu resources used for
 312         rendering (e.g. when you have a special limited compression buffer).
 313         Sometimes resource allocation/reservation issues in command submission
 314         IOCTLs are also signalled through EDEADLK.
 315
 316         Simply running out of kernel/system memory is signalled through ENOMEM.
 317
 318 EPERM/EACCES:
 319         Returned for an operation that is valid, but needs more privileges.
 320         E.g. root-only or much more common, DRM master-only operations return
 321         this when called by unpriviledged clients. There's no clear
 322         difference between EACCES and EPERM.
 323
 324 ENODEV:
 325         The device is not present anymore or is not yet fully initialized.
 326
 327 EOPNOTSUPP:
 328         Feature (like PRIME, modesetting, GEM) is not supported by the driver.
 329
 330 ENXIO:
 331         Remote failure, either a hardware transaction (like i2c), but also used
 332         when the exporting driver of a shared dma-buf or fence doesn't support a
 333         feature needed.
 334
 335 EINTR:
 336         DRM drivers assume that userspace restarts all IOCTLs. Any DRM IOCTL can
 337         return EINTR and in such a case should be restarted with the IOCTL
 338         parameters left unchanged.
 339
 340 EIO:
 341         The GPU died and couldn't be resurrected through a reset. Modesetting
 342         hardware failures are signalled through the "link status" connector
 343         property.
 344
 345 EINVAL:
 346         Catch-all for anything that is an invalid argument combination which
 347         cannot work.
 348
 349 IOCTL also use other error codes like ETIME, EFAULT, EBUSY, ENOTTY but their
 350 usage is in line with the common meanings. The above list tries to just document
 351 DRM specific patterns. Note that ENOTTY has the slightly unintuitive meaning of
 352 "this IOCTL does not exist", and is used exactly as such in DRM.
 353
 354 .. kernel-doc:: include/drm/drm_ioctl.h
 355    :internal:
 356
 357 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_ioctl.c
 358    :export:
 359
 360 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_ioc32.c
 361    :export:
 362
 363 Testing and validation
 364 ======================
 365
 366 Testing Requirements for userspace API
 367 --------------------------------------
 368
 369 New cross-driver userspace interface extensions, like new IOCTL, new KMS
 370 properties, new files in sysfs or anything else that constitutes an API change
 371 should have driver-agnostic testcases in IGT for that feature, if such a test
 372 can be reasonably made using IGT for the target hardware.
 373
 374 Validating changes with IGT
 375 ---------------------------
 376
 377 There's a collection of tests that aims to cover the whole functionality of
 378 DRM drivers and that can be used to check that changes to DRM drivers or the
 379 core don't regress existing functionality. This test suite is called IGT and
 380 its code and instructions to build and run can be found in
 381 https://gitlab.freedesktop.org/drm/igt-gpu-tools/.
 382
 383 Using VKMS to test DRM API
 384 --------------------------
 385
 386 VKMS is a software-only model of a KMS driver that is useful for testing
 387 and for running compositors. VKMS aims to enable a virtual display without
 388 the need for a hardware display capability. These characteristics made VKMS
 389 a perfect tool for validating the DRM core behavior and also support the
 390 compositor developer. VKMS makes it possible to test DRM functions in a
 391 virtual machine without display, simplifying the validation of some of the
 392 core changes.
 393
 394 To Validate changes in DRM API with VKMS, start setting the kernel: make
 395 sure to enable VKMS module; compile the kernel with the VKMS enabled and
 396 install it in the target machine. VKMS can be run in a Virtual Machine
 397 (QEMU, virtme or similar). It's recommended the use of KVM with the minimum
 398 of 1GB of RAM and four cores.
 399
 400 It's possible to run the IGT-tests in a VM in two ways:
 401
 402         1. Use IGT inside a VM
 403         2. Use IGT from the host machine and write the results in a shared directory.
 404
 405 Following is an example of using a VM with a shared directory with
 406 the host machine to run igt-tests. This example uses virtme::
 407
 408         $ virtme-run --rwdir /path/for/shared_dir --kdir=path/for/kernel/directory --mods=auto
 409
 410 Run the igt-tests in the guest machine. This example runs the 'kms_flip'
 411 tests::
 412
 413         $ /path/for/igt-gpu-tools/scripts/run-tests.sh -p -s -t "kms_flip.*" -v
 414
 415 In this example, instead of building the igt_runner, Piglit is used
 416 (-p option). It creates an HTML summary of the test results and saves
 417 them in the folder "igt-gpu-tools/results". It executes only the igt-tests
 418 matching the -t option.
 419
 420 Display CRC Support
 421 -------------------
 422
 423 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_debugfs_crc.c
 424    :doc: CRC ABI
 425
 426 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_debugfs_crc.c
 427    :export:
 428
 429 Debugfs Support
 430 ---------------
 431
 432 .. kernel-doc:: include/drm/drm_debugfs.h
 433    :internal:
 434
 435 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_debugfs.c
 436    :export:
 437
 438 Sysfs Support
 439 =============
 440
 441 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_sysfs.c
 442    :doc: overview
 443
 444 .. kernel-doc:: drivers/gpu/drm/drm_sysfs.c
 445    :export:
 446
 447
 448 VBlank event handling
 449 =====================
 450
 451 The DRM core exposes two vertical blank related ioctls:
 452
 453 DRM_IOCTL_WAIT_VBLANK
 454     This takes a struct drm_wait_vblank structure as its argument, and
 455     it is used to block or request a signal when a specified vblank
 456     event occurs.
 457
 458 DRM_IOCTL_MODESET_CTL
 459     This was only used for user-mode-settind drivers around modesetting
 460     changes to allow the kernel to update the vblank interrupt after
 461     mode setting, since on many devices the vertical blank counter is
 462     reset to 0 at some point during modeset. Modern drivers should not
 463     call this any more since with kernel mode setting it is a no-op.
 464
 465 Userspace API Structures
 466 ========================
 467
 468 .. kernel-doc:: include/uapi/drm/drm_mode.h
 469    :doc: overview
 470
 471 .. _crtc_index:
 472
 473 CRTC index
 474 ----------
 475
 476 CRTC's have both an object ID and an index, and they are not the same thing.
 477 The index is used in cases where a densely packed identifier for a CRTC is
 478 needed, for instance a bitmask of CRTC's. The member possible_crtcs of struct
 479 drm_mode_get_plane is an example.
 480
 481 DRM_IOCTL_MODE_GETRESOURCES populates a structure with an array of CRTC ID's,
 482 and the CRTC index is its position in this array.
 483
 484 .. kernel-doc:: include/uapi/drm/drm.h
 485    :internal:
 486
 487 .. kernel-doc:: include/uapi/drm/drm_mode.h
 488    :internal: