RaspberryPi KMS HDMI-Ausgangsgrafiktreiber

Kolophon

2020–2023 Raspberry Pi Ltd (ehemals Raspberry Pi (Trading) Ltd.) Diese Dokumentation ist unter einer Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-ND 4.0)-Lizenz lizenziert. Build-Datum: 2023 Build-Version: Githash: c02fe10c-clean

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Versionsverlauf des Dokuments

Geltungsbereich des Dokuments

Dieses Dokument gilt für die folgenden Raspberry Pi-Produkte

Einführung

Mit der Einführung des KMS-Grafiktreibers (Kernel Mode Setting) verabschiedet sich Raspberry Pi Ltd von der Steuerung des Videoausgabesystems über die veraltete Firmware und setzt auf ein Open-Source-Grafiksystem. Dies bringt jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Dieses Dokument soll bei allen Problemen helfen, die beim Wechsel auf das neue System auftreten können. In diesem Whitepaper wird davon ausgegangen, dass Raspberry Pi mit dem Raspberry Pi OS läuft und mit der neuesten Firmware und den neuesten Kerneln auf dem neuesten Stand ist.

Terminologie

DRMs: Direct Rendering Manager, ein Subsystem des Linux-Kernels zur Kommunikation mit Grafikprozessoren (GPUs). Wird in Partnerschaft mit FKMS und KMS verwendet.
DVI: Ein Vorgänger von HDMI, jedoch ohne Audiofunktionen. Es sind HDMI-zu-DVI-Kabel und -Adapter verfügbar, um ein Raspberry Pi-Gerät an ein mit DVI ausgestattetes Display anzuschließen.
EDID: Erweiterte Display-Identifikationsdaten. Ein Metadatenformat für Anzeigegeräte, um einer Videoquelle ihre Fähigkeiten zu beschreiben. Die EDID-Datenstruktur umfasst Herstellername und Seriennummer, Produkttyp, physische Anzeigegröße und die vom Display unterstützten Timings sowie einige weniger nützliche Daten. Einige Displays können defekte EDID-Blöcke aufweisen, was zu Problemen führen kann, wenn diese Defekte nicht vom Anzeigesystem behoben werden.
FKMS (vc4-fkms-v3d): Fake Kernel Mode Setting. Während die Firmware noch die Low-Level-Hardware steuert (z.B.ample, die High-Definition Multimedia Interface (HDMI)-Anschlüsse, die Display Serial Interface (DSI) usw.), werden im Kernel selbst standardmäßige Linux-Bibliotheken verwendet. FKMS wird standardmäßig in Buster verwendet, ist aber mittlerweile zugunsten von KMS in Bullseye veraltet.
HDMI: High-Definition Multimedia Interface ist eine proprietäre Audio-/Video-Schnittstelle zur Übertragung unkomprimierter Videodaten sowie komprimierter oder unkomprimierter digitaler Audiodaten.
HPD: Hotplug-Erkennung. Ein physisches Kabel, das von einem angeschlossenen Anzeigegerät bestätigt wird, um seine Anwesenheit anzuzeigen.
KMS: Kernel-Modus-Einstellung; siehe https://www.kernel.org/doc/html/latest/gpu/drm-kms.html für weitere Einzelheiten. Auf Raspberry Pi ist vc4-kms-v3d ein Treiber, der KMS implementiert und oft als „der KMS-Treiber“ bezeichnet wird. Legacy-Grafikstapel: Ein Grafikstapel, der vollständig im VideoCore-Firmware-Blob implementiert ist, der von einem Linux-Framebuffer-Treiber bereitgestellt wird. Der Legacy-Grafikstapel wurde bis vor Kurzem in den meisten Geräten von Raspberry Pi Ltd verwendet; er wird nun nach und nach durch (F)KMS/DRM ersetzt.

Das HDMI-System und die Grafiktreiber

Raspberry Pi-Geräte verwenden für die Videoausgabe den HDMI-Standard, der bei modernen LCD-Monitoren und Fernsehern weit verbreitet ist. Raspberry Pi 3 (einschließlich Raspberry Pi 3B+) und frühere Geräte haben einen einzelnen HDMI-Anschluss, der über einen HDMI-Anschluss in voller Größe eine Ausgabe von 1920 × 1200 @60 Hz ermöglicht. Raspberry Pi 4 hat zwei Micro-HDMI-Anschlüsse und kann an beiden Anschlüssen 4K-Ausgabe liefern. Je nach Setup kann der HDMI 0-Anschluss von Raspberry Pi 4 bis zu 4kp60 ausgeben, aber bei Verwendung von zwei 4K-Ausgabegeräten sind Sie auf beiden Geräten auf p30 beschränkt. Der Grafiksoftware-Stack ist, unabhängig von der Version, dafür verantwortlich, angeschlossene HDMI-Geräte nach ihren Eigenschaften abzufragen und das HDMI-System entsprechend einzurichten. Legacy- und FKMS-Stacks verwenden beide Firmware im VideoCore-Grafikprozessor, um das Vorhandensein und die Eigenschaften von HDMI zu überprüfen. Im Gegensatz dazu verwendet KMS eine vollständig Open Source-Implementierung auf ARM-Seite. Dies bedeutet, dass die Codebasen für die beiden Systeme völlig unterschiedlich sind, was unter Umständen zu unterschiedlichem Verhalten zwischen den beiden Ansätzen führen kann. HDMI- und DVI-Geräte identifizieren sich gegenüber dem Quellgerät mithilfe eines Metadatenelements, das als EDID-Block bezeichnet wird. Dieses wird vom Quellgerät über eine I2C-Verbindung vom Anzeigegerät gelesen, und dies ist für den Endbenutzer völlig transparent, da dies vom Grafikstapel erledigt wird. Der EDID-Block enthält eine Vielzahl von Informationen, wird jedoch hauptsächlich verwendet, um anzugeben, welche Auflösungen das Display unterstützt, sodass Raspberry Pi so eingerichtet werden kann, dass es eine entsprechende Auflösung ausgibt.

Wie HDMI beim Booten behandelt wird

Beim ersten Einschalten durchläuft Raspberry Pi eine Reihe vontages, bekannt als Boot stages:

1. Die ErstentagDer ROM-basierte Bootloader startet die VideoCore-GPU.
2. Sekunde-stagDer Bootloader (dies ist bootcode.bin auf der SD-Karte auf Geräten vor Raspberry Pi 4 und im SPI EEPROM auf Raspberry Pi 4):
   1. Auf Raspberry Pi 4, die zweite-stagDer Bootloader startet das HDMI-System, fragt das Display nach möglichen Modi ab und richtet das Display dann entsprechend ein. An dieser Stelle wird das Display verwendet, um grundlegende Diagnosedaten bereitzustellen.
   2. Die Bootloader-Diagnoseanzeige (ab 07. Dezember 2022) zeigt den Status aller angeschlossenen Displays an (ob Hotplug Detect (HPD) vorhanden ist und ob ein EDID-Block vom Display wiederhergestellt wurde).
3. Die VideoCore-Firmware (start.elf) wird geladen und ausgeführt. Dadurch wird die Steuerung des HDMI-Systems übernommen, der EDID-Block von allen angeschlossenen Displays gelesen und der Regenbogenbildschirm auf diesen Displays angezeigt.
4. Der Linux-Kernel bootet
   1. Während des Kernel-Boots übernimmt KMS die Steuerung des HDMI-Systems von der Firmware. Auch hier wird der EDID-Block von allen angeschlossenen Displays gelesen und diese Informationen werden zum Einrichten der Linux-Konsole und des Desktops verwendet.

Mögliche Probleme und Symptome

Das häufigste Fehlersymptom beim Wechsel zu KMS ist ein anfänglich guter Start, bei dem der Bootloader-Bildschirm und dann der Regenbogenbildschirm erscheinen, woraufhin das Display nach einigen Sekunden schwarz wird und nicht wieder angeht. Der Punkt, an dem das Display schwarz wird, ist tatsächlich der Punkt während des Kernel-Startvorgangs, an dem der KMS-Treiber die Ausführung des Displays von der Firmware übernimmt. Der Raspberry Pi läuft derzeit in jeder Hinsicht außer dem HDMI-Ausgang, wenn also SSH aktiviert ist, sollten Sie sich auf diesem Weg beim Gerät anmelden können. Die grüne SD-Karten-Zugriffs-LED flackert normalerweise gelegentlich. Es ist auch möglich, dass Sie überhaupt keinen HDMI-Ausgang sehen, keinen Bootloader-Bildschirm und keinen Regenbogenbildschirm. Dies kann normalerweise auf einen Hardwarefehler zurückgeführt werden.

Diagnose des Fehlers

Überhaupt kein HDMI-Ausgang
Es ist möglich, dass das Gerät überhaupt nicht gestartet ist, aber das liegt außerhalb des Aufgabenbereichs dieses Whitepapers. Unter der Annahme, dass es sich bei dem beobachteten Verhalten um ein Anzeigeproblem handelt, liegt das Fehlen der HDMI-Ausgabe während eines Teils des Startvorgangs normalerweise an einem Hardwarefehler. Es gibt eine Reihe möglicher Optionen:

• Defektes HDMI-Kabel
• Versuchen Sie es mit einem neuen Kabel. Einige Kabel, insbesondere sehr billige, enthalten möglicherweise nicht alle erforderlichen Kommunikationsleitungen (z. B. Hotplug), damit Raspberry Pi das Display erfolgreich erkennt.
• Defekter HDMI-Anschluss am Raspberry Pi
• Wenn Sie einen Raspberry Pi 4 verwenden, versuchen Sie den anderen HDMI-Anschluss.
• Defekter HDMI-Anschluss am Monitor
• Manchmal kann der HDMI-Anschluss eines Monitors oder Fernsehers verschleißen. Versuchen Sie es mit einem anderen Anschluss, falls das Gerät einen hat.
• In seltenen Fällen kann ein Anzeigegerät EDID-Daten nur dann bereitstellen, wenn es eingeschaltet ist oder der richtige Port ausgewählt ist. Um dies zu überprüfen, stellen Sie sicher, dass das Gerät eingeschaltet ist und der richtige Eingangsport ausgewählt ist.
• Anzeigegerät bestätigt die Hotplug-Erkennungsleitung nicht

Erste Ausgabe, dann wird der Bildschirm schwarz
Wenn das Display beim Booten des Linux-Kernels anspringt, dann aber wieder ausgeht, kann dies mehrere Ursachen haben. Diese hängen normalerweise mit einem Problem beim Lesen der EDID vom Anzeigegerät zusammen. Wie aus dem obigen Abschnitt zur Boot-Reihenfolge hervorgeht, wird die EDID während des Boot-Prozesses an mehreren verschiedenen Punkten gelesen, und jeder dieser Lesevorgänge wird von einer anderen Software ausgeführt. Der letzte Lesevorgang, wenn KMS übernimmt, wird von unverändertem Upstream-Linux-Kernel-Code ausgeführt, und dieser kann mit fehlerhaften EDID-Formaten nicht so gut umgehen wie die frühere Firmware-Software. Aus diesem Grund kann das Display nicht mehr richtig funktionieren, sobald KMS übernimmt. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um zu bestätigen, ob KMS die EDID nicht lesen kann. Zwei davon sind die folgenden.
Überprüfen Sie den Diagnosebildschirm des Bootloaders (nur Raspberry Pi 4).

NOTIZ
Für die Bootloaderdiagnose ist ein aktueller Bootloader erforderlich. Sie können mit diesen Anweisungen auf die neueste Version aktualisieren: https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html#updating-the-bootloader Entfernen Sie die SD-Karte und starten Sie den Raspberry Pi neu. Drücken Sie ESC auf dem Bildschirm „Betriebssystem installieren“, und der Diagnosebildschirm sollte auf dem Anzeigegerät erscheinen. Auf dem Display sollte eine Zeile erscheinen, die mit „display:“ beginnt – z. B.ampauf:

• Anzeige: DISP0: HDMI HPD=1 EDID=ok #2 DISP1: HPD=0 EDID=keine #0

Diese Ausgabe von einem Raspberry Pi 4 zeigt, dass das System ein HDMI-Display am HDMI-Anschluss 0 erkannt hat, die Hotplug-Erkennung aktiviert ist und die EDID erfolgreich gelesen wurde. Am HDMI-Anschluss 1 wurde nichts gefunden.

Überprüfen Sie, ob das KMS-System eine EDID erkannt hat
Um dies zu überprüfen, müssen Sie sich über SSH von einem anderen Computer aus beim Raspberry Pi-Gerät anmelden. SSH kann aktiviert werden, wenn Sie mit Raspberry Pi Imager ein SD-Karten-Image erstellen, indem Sie die Optionen für Erweiterte Einstellungen verwenden. Das Aktivieren von SSH auf einer SD-Karte, die bereits geimaged wurde, ist etwas komplizierter: Sie müssen einen anderen Computer verwenden, um ein file benannt ssh zur Bootpartition. Ersetzen Sie die SD-Karte im originalen Raspberry Pi und schalten Sie ihn ein. Dadurch sollte SSH mit einer von DHCP zugewiesenen IP-Adresse aktiviert werden. Geben Sie nach der Anmeldung Folgendes in die Terminal-Eingabeaufforderung ein, um den Inhalt aller erkannten EDIDs anzuzeigen (Sie müssen möglicherweise HDMI-A-1 in HDMI-A-2 ändern, je nachdem, an welchen HDMI-Anschluss des Raspberry Pi das Anzeigegerät angeschlossen ist): cat /sys/class/drm/card?-HDMI-A-1/edid Wenn keine Ordner mit dem Namen card?-HDMI-A-1 oder ähnlich vorhanden sind, konnte wahrscheinlich kein EDID vom Anzeigegerät gelesen werden.

NOTIZ
Im Falle, dass die EDID erfolgreich gelesen wird, gibt es eine nützliche virtuelle file im selben Ordner mit der Bezeichnung „Modi“. Bei der Anzeige werden alle möglichen Modi angezeigt, die das Gerät laut EDID unterstützt.

Gegenmaßnahmen

Hotplug-Erkennungsfehler Wenn weder die Firmware noch KMS einen angeschlossenen Monitor finden, kann dies an einem Hotplug-Erkennungsfehler liegen – d. h. der Raspberry Pi weiß nicht, dass ein Gerät angeschlossen ist, und sucht daher nicht nach einer EDID. Dies kann durch ein fehlerhaftes Kabel oder ein Anzeigegerät verursacht werden, das Hotplug nicht richtig bestätigt. Sie können eine Hotplug-Erkennung erzwingen, indem Sie die Kernel-Befehlszeile ändern file (cmdline.txt), die in der Boot-Partition einer Raspberry Pi OS SD-Karte gespeichert ist. Sie können diese file auf einem anderen System, mit dem von Ihnen bevorzugten Editor. Fügen Sie am Ende der cmdline.txt Folgendes hinzu file: video=HDMI-A-1:1280×720@60D Wenn Sie den zweiten HDMI-Anschluss verwenden, ersetzen Sie HDMI-A-1 durch HDMI-A-2. Sie können auch eine andere Auflösung und Bildfrequenz angeben, achten Sie jedoch darauf, dass Sie solche auswählen, die das Anzeigegerät unterstützt.

NOTIZ
Dokumentation zu den Kernel-Befehlszeileneinstellungen für Video finden Sie hier: https://www.kernel.org/doc/Documentation/fb/modedb.txt

WARNUNG
Ältere Grafikstapel unterstützten die Verwendung eines config.txt-Eintrags zum Einstellen der Hotplug-Erkennung, aber zum Zeitpunkt des Schreibens funktionierte dies nicht mit KMS. Dies wird möglicherweise in zukünftigen Firmware-Versionen unterstützt. Der config.txt-Eintrag ist hdmi_force_hotplug, und Sie können den spezifischen HDMI-Anschluss angeben, auf den das Hotplug angewendet wird, indem Sie entweder hdmi_force_hotplug:0=1 oder hdmi_force_hotplug:1=1 verwenden. Beachten Sie, dass sich die Nomenklatur für KMS auf die HDMI-Anschlüsse als 1 und 2 bezieht, während Raspberry Pi 0 und 1 verwendet.

EDID-Probleme
Einige wenige Anzeigegeräte können keine EDID zurückgeben, wenn sie ausgeschaltet sind oder der falsche AV-Eingang ausgewählt ist. Dies kann ein Problem sein, wenn sich der Raspberry Pi und die Anzeigegeräte an derselben Steckdosenleiste befinden und das Raspberry Pi-Gerät schneller bootet als das Display. Bei solchen Geräten müssen Sie möglicherweise manuell eine EDID angeben. Noch ungewöhnlicher ist, dass einige Anzeigegeräte EDID-Blöcke haben, die schlecht formatiert sind und vom KMS EDID-System nicht analysiert werden können. Unter diesen Umständen ist es möglicherweise möglich, eine EDID von einem Gerät mit ähnlicher Auflösung zu lesen und diese zu verwenden. In beiden Fällen beschreiben die folgenden Anweisungen, wie Sie eine EDID von einem Anzeigegerät lesen und KMS für die Verwendung konfigurieren, anstatt dass KMS versucht, das Gerät direkt abzufragen.

Kopieren einer EDID in ein file
Erstellen eines file Es ist normalerweise nicht möglich, EDID-Metadaten von Grund auf neu zu erstellen. Die Verwendung vorhandener Metadaten ist viel einfacher. Es ist im Allgemeinen möglich, eine EDID von einem Anzeigegerät abzurufen und auf der SD-Karte des Raspberry Pi zu speichern, damit sie von KMS verwendet werden kann, anstatt eine EDID vom Anzeigegerät abzurufen. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, sicherzustellen, dass das Anzeigegerät betriebsbereit und am richtigen AV-Eingang angeschlossen ist und dass der Raspberry Pi das HDMI-System korrekt gestartet hat. Vom Terminal aus können Sie die EDID nun in ein file mit dem folgenden Befehl: sudo cp /sys/class/drm/card?-HDMI-A-1/edid /lib/firmware/myedid.dat Wenn aus irgendeinem Grund die EDID nicht vorhanden ist, können Sie das Gerät in einem Nicht-KMS-Modus booten, der erfolgreich auf den Desktop oder die Konsole bootet, und dann die EDID, die die Firmware (hoffentlich) erfolgreich liest, in eine file.

1. Booten Sie im Legacy-Grafikmodus.
   1. Bearbeiten Sie config.txt in der Boot-Partition. Achten Sie darauf, Ihren Editor mit sudo auszuführen, und ändern Sie die Zeile dtoverlay=vc4-kms-v3d in #dtoverlay=vc4-kms-v3d.
   2. Neustart.
2. Jetzt sollte der Desktop bzw. die Anmeldekonsole erscheinen.
   1. Kopieren Sie mit dem Terminal die EDID vom angeschlossenen Anzeigegerät auf ein file mit dem folgenden Befehl:

• tvservice -d myedid.dat sudo mv myedid.dat /lib/firmware/

Mit einem file-basierte EDID, anstatt das Anzeigegerät abzufragen. Bearbeiten Sie /boot/cmdline.txt, stellen Sie sicher, dass Sie Ihren Editor mit sudo ausführen, und fügen Sie der Kernel-Befehlszeile Folgendes hinzu: drm.edid_firmware=myedid.dat Sie können die EDID wie folgt auf einen bestimmten HDMI-Anschluss anwenden: drm.edid_firmware=HDMI-A-1:myedid.dat Falls erforderlich, booten Sie zurück in den KMS-Modus, indem Sie Folgendes tun:

1. Bearbeiten Sie config.txt in der Boot-Partition. Achten Sie darauf, Ihren Editor mit sudo auszuführen, und ändern Sie die Zeile #dtoverlay=vc4-kms-v3d in dtoverlay=vc4-kms-v3d.
2. Neustart.

NOTIZ
Wenn Sie ein file-basiertes EDID, aber weiterhin Probleme mit Hotplug haben, können Sie die Hotplug-Erkennung erzwingen, indem Sie der Kernel-Befehlszeile Folgendes hinzufügen: video=HDMI-A-1:D.

Dokumente / Ressourcen

RaspberryPi KMS HDMI-Ausgangsgrafiktreiber [pdf] Benutzerhandbuch KMS, HDMI-Ausgangsgrafiktreiber, KMS HDMI-Ausgangsgrafiktreiber, KMS HDMI-Ausgangsgrafiktreiber, Treiber

Verweise

• Bedienungsanleitung