PCIem

¿Qué es PCIem?

PCIem es un framework que crea dispositivos PCIe virtuales en el kernel de Linux aprovechando algunas técnicas novedosas para presentar tarjetas sintéticas como dispositivos PCI legítimos al sistema operativo anfitrión.

Para resumir qué es PCIem: un framework para (aunque no limitado a) desarrollar y probar controladores de dispositivos PCIe sin necesidad de hardware real en el anfitrión.

Comparación con libfvio-user

PCIem y libfvio-user son dos soluciones diferentes para necesidades distintas, puede haber confusión al compararlas, por lo que aquí están las diferencias (Véase figura 1 para más detalles).

La principal es que libvfio-user normalmente depende de un cliente (que implementa el protocolo vfio-user), generalmente QEMU (a través de KVM, usando salidas de VM) para exponer el dispositivo PCIe emulado al invitado. Escribe su servidor vfio (con un mecanismo de devolución de llamada generalmente) que luego interactúa con el cliente.

Lo que hace PCIem en cambio es exponer el dispositivo directamente en el anfitrión; sin KVM, sin invitados, sin máquinas virtuales, nada. El dispositivo aparece en el bus PCIe del anfitrión como si estuviera conectado físicamente.

Arquitectura

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

        RealDriver["Real PCIe Driver"]

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

    end

    Interface(("/dev/pciem"))

    subgraph User ["Linux Userspace"]
        direction TB
        Shim["Device Emulation"]
    end

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

Funcionalidades Actuales

• Creación de BAR: Crear y monitorear regiones BAR programáticamente.
• Seguimiento MMIO de BAR: Detección y notificación de lectura/escritura MMIO para evitar sondeo de accesos.
• Soporte de interrupciones: Inyección de interrupciones Legacy/MSI/MSI-X.
• Framework de capacidades PCI: Sistema de capacidades PCI (lista enlazada internamente).
• Sistema DMA: Accesos DMA con conocimiento de IOMMU desde/hacia el dispositivo en espacio de usuario.
  • Soporte P2P (¡Preliminar!): DMA peer-to-peer entre dispositivos con control de acceso basado en listas blancas.
• Espacio de usuario: Implementa tus dispositivos PCIe completamente en espacio de usuario.

Entorno mínimo soportado

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

Nota aarch64: Probado con Raspberry Pi 4b, device-tree (Sin ACPI)

Nota riscv: Probado con VisionFive 2 (Device-tree) y Muse Pi Pro (Device-tree y ACPI)

Estado de CI

Ejemplos

Tarjeta Bochs BGA (drm)

Una tarjeta compatible con Bochs BGA (bochs-drm) que puede ser manejada por utilidades de espacio de usuario como Weston; usa SDL3.

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

Controlador NVME

Controlador NVME con 1GB de almacenamiento adjunto. El usuario puede formatear, montar, crear y eliminar archivos libremente de la memoria.

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

Tarjeta Intel HDA

Modelo de emulación compatible con ICH6 que puede reproducir muestras en conjunto con pipewire.

NOTA: Ligero crujido de audio solo audible en la grabación, funciona bien por lo demás

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

Tarjeta Intel E1000

Una implementación bastante ingenua de la tarjeta E1000. Soporta redirección de comunicaciones hacia/desde tu NIC real. También puede usar Wi-Fi pero es menos estable.

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

Licencia

• Componentes del kernel de PCIem: GPLv2
• Ejemplos: dual MIT/GPLv2.

Referencias

• Blog: https://cakehonolulu.github.io/introducing-pciem/
• Publicación en Hackernews: https://news.ycombinator.com/item?id=46689065
• Especificación PCI Express: https://pcisig.com/specifications