PCIem

Was ist PCIem?

PCIem ist ein Framework, das virtuelle PCIe-Geräte im Linux-Kernel erstellt, indem es einige neuartige Techniken nutzt, um synthetische Karten als legitime PCI-Geräte für das Host-Betriebssystem erscheinen zu lassen.

Kurz gesagt: PCIem ist ein Framework für die (wenn auch nicht darauf beschränkte) Entwicklung und das Testen von PCIe-Gerätetreibern, ohne dass tatsächliche Hardware auf dem Host erforderlich ist.

Vergleich mit libfvio-user

PCIem und libfvio-user sind zwei verschiedene Lösungen für unterschiedliche Anforderungen. Beim Vergleich beider könnte Verwirrung entstehen, daher werden hier die Unterschiede dargelegt (siehe Abbildung 1 für weitere Details).

Der Hauptunterschied besteht darin, dass libvfio-user in der Regel auf einen Client angewiesen ist (der das vfio-user-Protokoll implementiert), normalerweise QEMU (über KVM, mittels VM-Exits), um das emulierte PCIe-Gerät dem Gast zugänglich zu machen. Sie schreiben Ihren vfio-Server (normalerweise mit einem Callback-Mechanismus), der dann mit dem Client interagiert.

Was PCIem stattdessen tut, ist, das Gerät direkt auf dem Host verfügbar zu machen; kein KVM, keine Gäste, keine virtuellen Maschinen, nichts. Das Gerät erscheint auf dem PCIe-Bus des Hosts, als wäre es physisch angeschlossen.

Architektur

graph LR
    subgraph Kernel ["Host Linux Kernel"]
        direction TB

        RealDriver["Echter PCIe-Treiber"]

        subgraph Framework ["PCIem Framework"]
            direction TB
            Config["PCI-Konfigurationsraum"]
            BARs["BARs"]
            IRQ["Interrupts"]
            DMA["DMA / IOMMU"]
        end

    end

    Interface(("/dev/pciem"))

    subgraph User ["Linux Userspace"]
        direction TB
        Shim["Geräteemulation"]
    end

    Framework <==> Interface
    Interface <==> Shim

Derzeitige Funktionen

• BAR-Erstellung: Programmgesteuertes Erstellen und Überwachen von BAR-Regionen.
• BAR-MMIO-Verfolgung: Erkennung von MMIO-Lese-/Schreibzugriffen und Benachrichtigung, um Polling nach Zugriffen zu vermeiden.
• Interrupt-Unterstützung: Legacy/MSI/MSI-X-Interrupt-Injektion.
• PCI-Capability-Framework: PCI-Capability-System (unterliegend als verkettete Liste).
• DMA-System: IOMMU-bewusste DMA-Zugriffe vom/auf das Userspace-Gerät.
  • P2P-Unterstützung (Vorläufig!): Peer-to-Peer-DMA zwischen Geräten mit Whitelist-basierter Zugriffskontrolle.
• Userspace: Implementieren Sie Ihre PCIe-Geräte vollständig im Userspace.

Mindestunterstützte Umgebung

• Linux-Kernel-Version: 6.6
• C-Compiler: gcc-12
• Architektur: amd64/i386, aarch64, riscv

aarch64-Hinweis: Getestet mit Raspberry Pi 4b, Device Tree (kein ACPI)

riscv-Hinweis: Getestet mit VisionFive 2 (Device Tree) und Muse Pi Pro (Device Tree und ACPI)

CI-Status

Beispiele

Bochs BGA (drm) Karte

Eine Bochs-BGA-kompatible (bochs-drm) Karte, die von Userspace-Programmen wie Weston verwendet werden kann; verwendet SDL3.

https://github.com/user-attachments/assets/d2f7abe4-aef4-4d3a-a30b-ab7ec793faed

NVME-Controller

NVME-Controller mit 1 GB angeschlossenem Speicher. Der Benutzer kann den Speicher frei formatieren, mounten, Dateien erstellen und löschen.

https://github.com/user-attachments/assets/29ce370a-7317-4fd4-9d1d-c3e868e1083d

Intel HDA Karte

ICH6-kompatibles Emulationsmodell, das in Verbindung mit Pipewire Samples abspielen kann.

HINWEIS: Leichtes Audioknistern ist nur in der Aufnahme hörbar, funktioniert ansonsten einwandfrei

https://github.com/user-attachments/assets/7264a18c-6fcb-46c4-acde-9531b0be7ff6

Intel E1000 Karte

Eine recht naive Implementierung der E1000-Karte. Unterstützt die Weiterleitung der Kommunikation zu/von Ihrer echten Netzwerkkarte. Kann auch WLAN nutzen, ist aber weniger stabil.

https://github.com/user-attachments/assets/b6b9862c-349c-49da-8a79-4769dfa31915

Lizenz

• PCIem-Kernel-Komponenten: GPLv2
• Beispiele: Dual MIT/GPLv2.

Referenzen

• Blogbeitrag: https://cakehonolulu.github.io/introducing-pciem/
• Hackernews-Beitrag: https://news.ycombinator.com/item?id=46689065
• PCI-Express-Spezifikation: https://pcisig.com/specifications