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A Nouveau graphics driver update

By Jonathan Corbet
December 1, 2023
LPC
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https://lwn.net/Articles/953144/

迄今为止，对 NVIDIA 图形处理器的支持一直是 Linux 用户的一个痛点；NVIDIA 一直没有感觉到有必要与内核社区合作，也不觉得有必要提供自由软件版本的驱动程序，而逆向工程形成的 Nouveau 驱动程序通常难以跟上该公司产品发布的步伐。然而，近年来已经出现了一些改善的迹象。在2023年Linux Plumbers大会上，图形子系统维护人员 Dave Airlie 对 NVIDIA GPU 的支持状态进行了更新，并介绍了尚需完成的工作。

多年来，内核社区与 NVIDIA 的关系“时好时坏”，Airlie 开始说。然而，最近公司重新设计了其产品，增加了一个大型的 RISC-V 处理器（GPU 系统处理器，简称为 GSP），并将许多以前由驱动程序处理的功能移入了 GSP 固件。该公司允许将该固件用在 Linux 里，并由 Linux 发行版发布。这种安排带来了许多好处，比如说现在内核可以对 NVIDIA GPU 重新设置时钟频率，使它们采用跟专有驱动程序相同的速度运行。他说，这比起以前仅由 Nouveau 提供的固件来说是一个重大改进。

当然，也有一些缺点。该固件没有提供稳定不变的 ABI，它提供的许多调用都没有文档。固件文件本身很大，在 20-30MB 之间，并且任一个设备都需要两个固件文件。这显著地增大了系统的 /boot 目录和 initramfs 镜像（因为它必须包含内核可能会需要的所有固件版本），并迫使 Nouveau 开发人员在采用固件更新时要非常谨慎和小心。

Nouveau 的工作在长期开发者 Ben Skeggs 离开项目后面临了一些挫折，但他在离开之前成功进行了许多重构工作。Nouveau 现在针对一个版本的固件已经有了初步的 GSP 支持；该代码已经合并到 6.7-rc1 版本中。默认情况下，它仅启用对Ada系列 GPU 的支持；通过特定的命令行参数，它还可以配合Turing和Ampere设备工作。它也缺少一些功能，比如说错误处理（这应该不难添加）和传感器监控，后者现在完全无法工作。

Airlie 说，NVIDIA 的固件附带了一组 include 文件，这些文件中定义的结构会随时改变。为了处理这些改动，驱动程序将需要某种自动化的 ABI 生成能力；他指出，Apple M1 GPU 驱动程序的开发人员也遇到了同样的问题。他的建议是，如果像 M1 驱动程序一样，用 Rust 重新实现驱动程序之后，这个问题可能会变得更容易解决。

下一步

然而，支持 GSP 固件只是个开始；Airlie 又回头开始讲一般情况下如何制作一个可用的 GPU 驱动程序。多年前，显卡配备了一些视频 RAM和图形地址重映射表（GTT, graphics translation table）。驱动程序会将系统内存映射到显卡中；然后用户空间可以提交缓冲区句柄，该句柄将被重新定位到图形设备。他说，这种方法是可行的，但很慢。

当前的 GPU 具有完整的虚拟内存，这样可以节省很多开销。内核已经增加了许多用于处理这种虚拟内存的子系统，包括图形执行管理器（GEM, graphics execution manager）用于缓冲对象管理，翻译表管理器（TTM, translation taboe manager）用于不连续的视频 RAM 缓冲对象（buffer-object）管理，也包含大量的同步和 fencing 代码。最初，DRM 子系统将缓冲区的分配与虚拟内存的分配在同时进行；这样做很容易，足够实现 OpenGL。但是，他说，图形世界已经发展到不满足于这一点的状态了。

具体来说，Vulkan出现了。它引入了稀疏内存（sparse memory）的概念，以及由用户空间管理的虚拟内存。Vulkan 可以处理同步和异步方式对虚拟区域进行更新，但是会“变得复杂”。各种驱动程序开始发明自己的虚拟区域管理方式；为了将这项工作重新整合，VM_BIND API 应运而生。

Airlie 说，这与一个反复出现的模式很像。DRM 开发人员努力在图形驱动程序之间共享公共代码，但驱动程序开发人员不断尝试重新发明轮子，这是一种必须抵制的倾向。他说，这方面的工作在 mode setting 方面做得很好，但在加速方面做得不太好；例如，有一个“通用 GPU 调度程序”其实仅仅是在一个驱动程序里使用。同样，有很多驱动程序通过执行自己的虚拟区域管理来实现 VM_BIND。

作为回应，Airlie 提出了一个“好主意”，让人编写一个通用的虚拟区域管理器，名为 GPUVM，灵感来自 amdgpu 代码。这个管理器希望能对所有驱动程序都有用；现在 Nouveau、Xe（Intel 的新驱动程序）和 Panfrost 驱动程序都在使用它。希望 amdgpu 和 MSM 驱动程序也会采用它。最好的一点是，有很多位开发人员了解它的话就有助于阻止它走错方向。GPUVM 经历了很多迭代，他说，提供了“许多学习经验”。

他以 fence signaling 为例。一个 fence 表示一系列 GPU 操作已经完成；在等待这些 fence 的时候必须有时间限制，否则内存管理子系统可能会死锁。简而言之，如果给予机会的话，GPU 可以轻松地把系统中所有 RAM 都锁定（pin down）。当内存紧张时，可以调用一个 shrinker 动作，但必须等待 fence 事件发生，以便知道何时可以释放内存。如果在此过程中设置 fence 的代码决定分配更多内存，就会导致死锁。为了避免这种结果，开发人员必须严格限制可以在 fence signaling 的临界区所能执行的操作；在获取任何锁之前也必须小心。在此代码中更新页表会很有用，但是这会导致死锁问题，必须被撤销。

回到 Nouveau，Airlie 表示，使用 GPUVM 的初始 VM_BIND API、同步对象（synchronous objects）和与调度程序集成这些动作都已经在 6.6 版本中合并。目前正在进行很多改进，预计将在 6.8 版本中完成。他说，此时我们已经拥有了用于 NVIDIA 硬件的现代 GPU 驱动程序的核心部分，至少针对图形场景来说是这样的。在 Nouveau 能够支持计算应用程序（compute application）之前还有更多工作需要进行。

在用户空间方面，Faith Ekstrand 一直在为 Nouveau 开发 NVK Vulkan 驱动程序；该驱动程序最近达到了Vulkan 1.0的标准。这项工作涉及创建一个名为 NAK 的新编译器，该编译器刚刚合并到了 Mesa 中；与旧的“codegen”编译器相比，这个编译器性能要好得多（从每秒 20 帧提高到 1000 多帧）。当然，这个编译器是用 Rust 编写的。Airlie 总结说，下一步就是继续迈向 Vulkan 1.3。

视频 和 演讲幻灯片 可在此处找到。

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全文完
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