Pile graphique Linux

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La pile graphique Linux (Linux graphics stack) désigne l’ensemble des composants logiciels qui interviennent dans le processus d’affichage d’une distribution GNU/Linux.

Historique[modifier | modifier le code]


Le serveur X[modifier | modifier le code]

Traditionnellement, dans les systèmes d’exploitation de type Unix, l’affichage graphique est assuré par un serveur X. Le même type d’architecture logicielle s’est donc retrouvé dans les systèmes GNU/Linux. XFree86 était le serveur X libre le plus utilisé par les distributions Linux. Mais en 2004, en raison d'un problème de licence, un fork est créé: X.Org. En 2013, ce dernier est le plus répandu parmi les distributions GNU/Linux.

Il s’est avéré que, si le serveur X était un outil très puissant, ce n’était pas un outil très performant. Différentes méthodes ont été explorées pour pallier cette carence :

  • contourner le serveur X lorsqu’il n’était pas utile, pour supprimer un intermédiaire : ainsi, DRI (pour Direct Rendering Interface) permet à Mesa d’adresser le matériel sans passer par le serveur X (Mesa ne peut s’adresser lui‐même au matériel, étant en espace utilisateur) (voir le paragraphe Composition d’un pilote graphique libre sous Linux ci‐après) ;
  • des extensions ont été ajoutées au serveur X : XRender, XRandR, et Composite notamment.

Par ailleurs, un certain nombre de choses qui étaient gérées par X.Org ont été réaffectées au noyau (evdev, GEM et KMS) ou à des bibliothèques dédiées (Cairo, pixman, FreeType, Fontconfig, Pango, etc.).

De X.Org à Wayland[modifier | modifier le code]

La Système de fenêtrage reposer sur Wayland utilise EGL, pilotes supplémentaire ne sont pas plus nécessaire.

Avec l’avènement des compositeurs (permettant des effets de transparence, d’ombre portée, etc.), le fonctionnement de X.Org pour la gestion graphique ne semble plus optimal car il constitue une étape supplémentaire entre l’application et le compositeur ainsi qu’entre le compositeur et le matériel.

Wayland a été proposé pour succéder à X11 : un serveur Wayland joue à la fois le rôle de compositeur (gestionnaire de fenêtres) et de serveur d’affichage. Wayland s’appuie pour cela sur une partie de l’infrastructure existante : pilotes DRI en Mesa 3D, GEM et KMS. Wayland 1.0 est sorti le 22 octobre 2012 et poursuit son développement. GNOME 3.14 devrait pleinement fonctionner avec Wayland.

En complément, XWayland permet d'avoir un serveur X tournant au-dessus de Wayland afin de pouvoir faire fonctionner les applications initialement conçues pour X.Org et qui n'auront pas été adaptées.

Canonical développe de son côté un serveur graphique concurrent pour Ubuntu : Mir.

Composition d’un pilote graphique libre sous Linux[modifier | modifier le code]

Pile graphique sur noyau Linux

Sous Linux, un pilote de carte graphique se décompose distinctement en trois parties :

Quand on parle couramment de pilote graphique libre sous Linux, on évoque généralement le pilote DDX (pour Device Dependent X). C’est un pilote spécifique à chaque matériel (nommé xf86-video-ati pour les cartes AMD, xf86-video-nouveau pour les cartes Nvidia et xf86-video-intel pour les puces graphiques Intel) utilisé par le serveur X pour gérer la 2D, c’est‐à‐dire essentiellement pour les effets de composition et l’accélération vidéo (via les procédés d’accélération 2D du serveur X comme EXA – et ses dérivés UXA, SNA – ou encore X video extension (en)).

Mesa est l’implémentation libre d’OpenGL pour Linux (OpenGL étant un procédé d’accélération 3D). Précisément, Mesa se décompose en deux parties : la bibliothèque Mesa 3D proprement dite, et les pilotes DRI chargés de traduire les fonctions gérées par la bibliothèque Mesa 3D en instructions compréhensibles par la carte graphique. Le résultat est envoyé à la carte graphique via DRM (pour Direct Rendering Manager), le pilote du noyau correspondant qui gère seul dorénavant les accès au matériel (DDX avait également accès au matériel avant que KMS ne permette de transférer la gestion des modes d’affichage au noyau ; aujourd’hui DDX passe par DRM pour accéder au noyau). L’accélération 3D requiert donc une prise en charge à la fois par Mesa et le noyau.

Depuis la création de KMS, tout passe donc par DRM :

 
 
 
 
Application X11
 
Application OpenGL
 
Application Framebuffer
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Compositeur
 
X.Org
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pilote 2D
 
Pilote OpenGL DRI
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
DRM
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Puce graphique
 
 
 
 
 
 
 

Gallium3D : tentative de mutualiser les moyens[modifier | modifier le code]

Gallium3D est présenté comme le successeur de Mesa 3D : il consiste à proposer un plus grand niveau d’abstraction du matériel afin de mutualiser au maximum les ressources au sein de cette bibliothèque et de simplifier corrélativement le développement des pilotes de cartes graphiques.

Implémentation libre d'OpenGL : Mesa 3D ou Gallium3D[modifier | modifier le code]

Si les pilotes libres pour cartes Nvidia (projet Nouveau) et AMD (projet radeon) se basent dorénavant sur Gallium3D, Intel (qui développe lui‐même les pilotes libres pour ses puces) ne souhaite pas s'engager dans ce changement et continue de proposer des pilotes Mesa classiques dans lesquels il estime avoir beaucoup investi[1].

Implémentation libre d'OpenCL : Gallium3D ou Beignet[modifier | modifier le code]

En revanche cet argument chronologique ne peut servir dans le cas d'OpenCL dont Intel a décidé de lancer sa propre implémentation libre (sous le nom de Beignet) bien après la mise en place d'un backend OpenCL pour Gallium3D[2],[3]. Ce backend pour Gallium3D sera utilisé par les pilotes libres pour cartes NVIDIA (nv50, nvc0…) et AMD (Evergreen, Northern Islands…)[4].

Les pilotes graphiques ou vidéo libres par modèles[modifier | modifier le code]

Puces graphiques à destination des ordinateurs personnels[modifier | modifier le code]

Les ordinateurs personnels embarquent généralement l'une des puces graphiques suivantes :

AMD Radeon[modifier | modifier le code]

Pilotes Gallium3D : Issus du projet radeon, il existe différents pilotes (R300g, R600g, RadeonSI) correspondant à différentes générations de puces graphiques AMD. À noter qu'avec RadeonSI, la 2D est dorénavant gérée par glamor, un procédé d’accélération 2D général basé sur OpenGL (lire ci-après).

Article détaillé : radeon (logiciel).

NVIDIA GeForce[modifier | modifier le code]

Pilotes Gallium3D : Issus du projet Nouveau, il existe différents pilotes (nv30, nv50, nvc0…)[5] correspondant à différentes générations de puces graphiques NVIDIA[6].

Article détaillé : Nouveau (informatique).

Intel GMA et HD Graphics[modifier | modifier le code]

Pilotes Mesa classique officiels[modifier | modifier le code]

Ce pilote 3D, développé à l'initiative d'Intel, est le pilote par défaut de la pile graphique de Linux pour ces puces. Il existe en deux versions [7]:

  • le pilote i915 concerne les puces Intel (à fonctions fixes) de troisième génération : 915G[M], 945G[M][E] et PineView ;
  • le pilote i965 concerne les puces Intel (programmables) de quatrième génération et postérieures : GMA X3000, X3100, X3500, 4500, X4500, X4500HD, 4500MHD et HD Graphics que l'on trouve dans les processeurs de génération Ironlake (Clarkdale et Arrandale) et les suivantes (Sandy Bridge, Haswell…).

Attention à ne pas confondre : le pilote 2D, commun à tous les circuits, est communément appelé i915.

Pilotes alternatifs Gallium3D[modifier | modifier le code]

i915g est un pilote Gallium3D développé indépendamment d'Intel, à l'initiative de VMware, puis de Google, pour les puces de troisième génération[8],[9].

ilo est un projet de pilote Gallium3D développé indépendamment d'Intel, avec le soutien de la société LunarG, pour les puces de sixième génération et suivantes[10].

Cas particulier des GMA 500/600[modifier | modifier le code]

Pour accompagner ses processeurs Atom, Intel utilise le circuit graphique GMA 500 (nom de code : Poulsbo) ou son successeur : le GMA 600 (Cedarview). Ces circuits n’ont pas été entièrement développés en interne et sont basés sur le PowerVR SGX 535 d’Imagination Technologies pour la 3D et le rendu vidéo. Ils nécessitent donc des pilotes spécifiques.

Depuis sa version 3.3, le noyau Linux inclut un pilote libre gma500_gfx pour ces puces (apparu pour la première fois dans la branche -staging de la version 2.6.39 du noyau) ; cependant, celui-ci est limité à l'affichage 2D (pas d'accélération vidéo ni 3D).

Les modèles qu’Intel lancera fin 2013 (Valley View) devraient marquer l’abandon du PowerVR au profit de la solution maison, refermant ainsi cette parenthèse[11].

Cœurs graphiques équipant les systèmes sur une puce[modifier | modifier le code]

Les SoC embarquent généralement l'un des cœurs graphiques ci-après pour la 3D. Ils sont couplés à différents autres cœurs pour l'affichage et la 2D, voire la vidéo, suivant les SoC.

En général, les fabricants de SoC proposent un pilote fermé (en espace utilisateur) pour Android pour ces cœurs graphiques ; ce pilote ne peut être utilisé en l'état par une distribution GNU/Linux sauf à utiliser la bibliothèque logicielle libre Libhybris conçue initialement pour le projet Mer[12],[13],[14].

Cœurs graphiques pour accélérer la 3D[modifier | modifier le code]

ARM Mali[modifier | modifier le code]

Les cœurs graphiques Mali sont conçus par ARM.

ARM ne fournit pas de pilote libre mais un pilote 2D/3D libre Mesa 3D est développé par rétro-ingénierie à l'initiative de Luc Verhaegen alias libv, rejoint par Connor Abbott alias cwabbott : Lima[15],[16],[17]

Qualcomm Adreno[modifier | modifier le code]

Adreno est conçu par Qualcomm dont il équipe les SoC ARM Snapdragon. La technologie employée dérive des puces Radeon d'AMD (dont Adreno est une anagramme).

Qualcomm ne fournit pas de pilote libre mais un pilote 2D/3D libre Gallium3D est activement développé par rétro-ingénierie notamment par Rob Clark sur son temps libre : freedreno[18],[19].

À noter que, dans la mesure où les modèles A3xx et suivants n'ont pas de cœur 2D, un backend XA pour Gallium3D est utilisé pour gérer la 2D[20].

Le pilote DRM, nommé msm, prenant en charge KMS et fonctionnant tant avec X.org (via xf86-video-freedreno) qu'avec Wayland/Weston, a intégré la version 3.12 du noyau Linux[21] tandis que freedreno, le pilote Gallium3D, a intégré la version 9.2 de Mesa[22]. Il s'agit donc du premier pilote libre 2D/3D disponible pour un SoC ARM.

NVIDIA GeForce ULP[modifier | modifier le code]

Le GeForce ULP (pour Ultra Low Power) est conçu par NVIDIA dont il équipe les SoC ARM Tegra.

Avec l'aide de NVIDIA, un pilote libre 2D pour Tegra 2/3 a été introduit dans la version 3.8 de Linux[23] et complété dans la version 3.10 de Linux[24]. À compter de la version 3.13 de Linux, le pilote DRM est composé de deux parties : host1x et tegra[25].

Un pilote libre 3D est en cours de développement par rétro-ingénierie à l'initiative de Erik Faye-Lund alias kusma : grate.

Vivante Corporation Vivante[modifier | modifier le code]

Le cœur graphique Vivante est conçu par Vivante Corporation et équipe divers SoC (série i.MX6 de Freescale, gamme Armada de Marvell, RK2918 de Rockchip).

Vivante Corporation a publié un pilote libre partiel (la partie noyau seulement, sous la licence libre GPL, mais rien concernant le pilote en espace utilisateur) qui est actuellement complété à l'initiative de Wladimir J. van der Laan alias wumpus qui travaille sur un pilote Gallium3D : etna_viv.

Un pilote DRM communautaire très complet, écrit par Russell King, prenant notamment en charge KMS, à destination des SoCs Marvell Armada 510 (qui équipent notamment la Cubox), a intégré la version 3.13 du noyau Linux[26].

Broadcom VideoCore[modifier | modifier le code]

Le VideoCore est conçu par Broadcom.

Après le faux-départ de fin 2012[27],[28],[29],[30], Broadcom a finalement levé le secret sur certaines parties de ses puces début 2014[31],[32],[33]. Parallèlement, et malgré l'architecture alambiquée de la puce, une initiative de pilote libre est actuellement menée notamment par Herman H Hermitage : videocoreiv.

Imagination Technologies PowerVR Series 5 (SGX)[modifier | modifier le code]

Les PowerVR Series 5 (SGX) sont conçus par Imagination Technologies.

Imagination Technologies ne fournit pas de pilote libre. Compte tenu de l'architecture alambiquée de la puce, il est peu probable qu'un pilote libre voie le jour et ce, malgré le souhait de la Free Software Foundation[34].

Intel HD Graphics[modifier | modifier le code]

Intel prévoit de lancer fin 2013 Valley View, un SoC regroupant un processeur Atom (architecture x86) et un cœur HD Graphics de septième génération pour lequel le fondeur fournit directement un pilote libre.

Cœurs graphiques pour accélérer la vidéo[modifier | modifier le code]

Allwinner CedarX[modifier | modifier le code]

Allwinner ne fournit pas de pilote libre pour le CedarX mais un pilote libre est actuellement développé par rétro-ingénierie[35],[36].

Prochaine étape : accélération 2D via les fonctions 3D de la puce graphique[modifier | modifier le code]

Les procédés d’accélération 2D actuels (EXA/XAA/UXA) ont montré leur insuffisance c'est pourquoi les développeurs sont à pied d’œuvre pour en développer de nouveaux. Plusieurs initiatives parallèles sont en développement [37],[38],[39]:

Rendu 2D via OpenGL[modifier | modifier le code]

Cairo-gl est un backend OpenGL pour Cairo.

glamor est un procédé d’accélération 2D général basé sur OpenGL. Il se compose d’une bibliothèque générique pouvant s’interfacer avec le pilote DDX, et qui vise à convertir les opérations du serveur X en instructions OpenGL qui seront traitées par Mesa. Un pilote DDX modifié pour tirer parti de glamor, EGL et KMS rend possible le démarrage d’un serveur X via Mesa/EGL sans système de fenêtrage natif[40]. Eric Anholt et Zhigang Gong, tous deux développeurs pour Intel, en sont les principaux développeurs initiaux. glamor est utilisé par le pilote RadeonSI pour les cartes AMD Radeon les plus récentes (lire ci-avant) ainsi que pour XWayland.

Ces deux projets ont pour avantage une simplification à terme de la pile graphique (un seul pilote restant à maintenir : le pilote 3D) mais pour inconvénient de vouloir faire rentrer un pied dans une chaussure à coup de marteau : OpenGL n'est pas conçu pour accélérer les fonctions 2D, et ré-exprimer les primitives 2D en commandes 3D au niveau de l'API 3D n'est pas optimal.

Rendu 2D direct[modifier | modifier le code]

Il s'agit de permettre à une application 2D d'adresser directement le matériel comme peut le faire une application 3D. Mais au lieu de prendre un biais en passant par OpenGL, on essaye d'exposer directement les primitives adaptées à l'accélération 2D.

Des projets comme cairo-drm ou pixman-drm ont cet objectif.

Également, Gallium3D dispose de backends permettant d’accélérer EXA via les fonctions 3D de la puce graphique : st/xorg, st/xa. Mais aucun des deux n'est activement maintenu.

Cette approche aboutit cependant à une complexification des pilotes.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. (en) Intel & The Shortcomings Of Gallium3D par Michael Larabel, phoronix, le
  2. (en) Intel Makes First Release Of Linux OpenCL Project par Michael Larabel, phoronix, le
  3. (en) More Criticism Comes Towards Intel's Beignet OpenCL par Michael Larabel, phoronix, le
  4. (en) GalliumCompute, sur le wiki de dri.freedesktop.org
  5. (en) nouveau: MesaDrivers, sur le wiki de nouveau.freedesktop.org
  6. (en) nouveau: CodeNames, sur le wiki de nouveau.freedesktop.org
  7. (en) IntelGraphicsDriver, sur le wiki de la X.org Foundation
  8. (en) Google's Into Intel Gallium3D For Chromium OS? par Michael Larabel, phoronix, le
  9. (en) Intel i915 Gallium3D Driver Might Become The Default par Michael Larabel, phoronix, le
  10. (en) Gallium3D Driver Comes For Intel Sandy/Ivy Bridge par Michael Larabel, phoronix, le
  11. (en) Intel Is Planning To Drop PowerVR Graphics par Michael Larabel, phoronix, le
  12. (en) Libhybris Let You Use Android Drivers & HW Libraries in Linux, CNXSoft, le
  13. (en) Wayland utilizing Android GPU drivers on glibc based systems, Part 1 par Carsten Munk, le
  14. (en) Wayland utilizing Android GPU drivers on glibc based systems, Part 2 par Carsten Munk, le
  15. (en) Site officiel
  16. (en) Code source sur Gitorious (en)
  17. (en) Liste de discussion
  18. (en) Code et wiki sur GitHub
  19. (en) Liste de discussion
  20. (en) Freedreno Gallium3D Gets XA Acceleration Support par Michael Larabel, phoronix, le
  21. (en) PATCHv4 0/5 drm/msm: A DRM/KMS driver for snapdragon SoCs sur la liste de diffusion dri-devel, le
  22. (en) Mesa 9.2 Release Notes / (August 27, 2013)
  23. (en) The Back Story On The Open NVIDIA Tegra Driver par Michael Larabel, phoronix, le
  24. (en) NVIDIA Tegra DRM Prepares For Linux 3.10 Kernel par Michael Larabel, phoronix, le
  25. (en) PATCHv7 00/10 Support for Tegra 2D hardware
  26. (en) GIT PULL Armada DRM support sur la liste de diffusion dri-devel, le
  27. (en) Open Source ARM userland par Alex Bradbury, le
  28. (en) Commentaire de Luc Verhaegen sous le billet d'annonce par Alex Bradbury, en date du
  29. (en) rasberry pi drivers are NOT useful par Dave Airlie, le
  30. (en) L'avis de Theo de Raadt donné sur la liste de diffusion OpenBSD, le
  31. (en) Android for All: Broadcom Gives Developers Keys to the VideoCore® Kingdom par Eben Upton sur blog.broadcom.com, le
  32. (en) L'avis de Rob Clark donné sur le forum de Phoronix, le
  33. (en) The Raspberry Pi, en route to becoming a proper open platform. par Luc Verhaegen, le
  34. (en) page wiki correspondante sur gnu.org
  35. (en) CedarX sur le wiki sunxi
  36. (en) Reverse Engineering/Cedar Status sur le wiki sunxi
  37. (en) The Battle for 2D Acceleration par Chris Wilson, le
  38. (en) From Click to Pixel: A Tour of the Linux Graphics Stack par Carl Worth, le
  39. (en) Making the GPU do its job par Carl Worth, le
  40. (en) Pull Request - Glamor: A 2D rendering acceleration implementation based on OpenGL, par zhigang gong, sur la liste de diffusion X.org, le

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]