PCIem

Ein Linux-Kernel-Framework, das die Emulation synthetischer PCIe-Geräte im Userspace ermöglicht. | Dokumentation

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.

Funktion	PCIem	libfvio-user
Verbindung	Gerätedatei (`/dev/pciem`)	UNIX-Sockets (`vfio-user`-Protokoll)
Zieltreiber läuft auf	Host	Gast-Betriebssystem
Emuliertes Gerät läuft auf	Userspace	Userspace
Gerätezugriffe	Direkt (innerhalb des Hosts)	Virtualisiert (Gast zu Host)

Abbildung 1: Vergleich zwischen Frameworks

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.