PCIem

PCIemとは？

PCIemは、いくつかの新しい技術を活用して合成カードを正当なPCIデバイスとしてホストOSに認識させる、Linuxカーネル内で仮想PCIeデバイスを作成するフレームワークです。

簡単に言えば、PCIemは、（必ずしも限定されませんが）実際のハードウェアをホストに必要とせずにPCIeデバイスドライバを開発・テストするためのフレームワークです。

libfvio-userとの比較

PCIem と libfvio-user は、それぞれ異なるニーズに応える異なるソリューションです。両者を比較する際に混乱が生じる可能性があるため、ここでその違いを説明します（詳細は図1を参照）。

主な違いは、libvfio-user は通常、エミュレートされたPCIeデバイスをゲストに公開するために、クライアント（vfio-user プロトコルを実装する）、通常はQEMU（KVM、VM exitを経由）に依存していることです。あなたは vfio サーバ（通常はコールバック機構を使用）を書き、それがクライアントとやり取りします。

一方、PCIem が行うのは、デバイスをホストに直接公開することです。KVMも、ゲストも、仮想マシンも、何も必要ありません。デバイスは物理的に接続されたかのようにホストのPCIeバス上に現れます。

アーキテクチャ

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

現在の機能

• BAR作成: プログラムでBAR領域を作成および監視します。
• BAR MMIOトレース: MMIO読み取り/書き込みの検出と通知により、ポーリングによるアクセスを回避します。
• 割り込みサポート: Legacy/MSI/MSI-X割り込みの注入。
• PCIケイパビリティフレームワーク: PCIケイパビリティシステム（内部ではリンクリスト）。
• DMAシステム: IOMMU対応のDMAアクセス（ユーザースペースデバイスとの間）。
  • P2Pサポート（予備的！）: ホワイトリストベースのアクセス制御によるデバイス間のピアツーピアDMA。
• ユーザースペース: PCIeデバイスをユーザースペースで完全に実装できます。

最低限のサポート環境

• Linuxカーネルバージョン: 6.6
• Cコンパイラ: gcc-12
• アーキテクチャ: amd64/i386、aarch64、riscv

aarch64注記: Raspberry Pi 4b、デバイスツリー（ACPIなし）でテスト済み

riscv注記: VisionFive 2（デバイスツリー）およびMuse Pi Pro（デバイスツリーとACPI）でテスト済み

CIステータス

例

Bochs BGA (drm) カード

Bochs BGA互換（bochs-drm）カードで、Westonなどのユーザースペースユーティリティから操作可能。SDL3を使用。

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

NVMEコントローラ

1GBのストレージを備えたNVMEコントローラ。ユーザーはメモリ上のファイルを自由にフォーマット、マウント、作成、削除できます。

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

Intel HDAカード

ICH6互換のエミュレーションモデルで、pipewireと連携してサンプルを再生できます。

注: 録音時にのみわずかなオーディオの割れが聞こえますが、通常の使用では問題ありません。

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

Intel E1000カード

E1000カードの非常にシンプルな実装。実際のNICとの通信のリダイレクトをサポート。Wi-Fiも使用可能ですが、安定性は劣ります。

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

ライセンス

• PCIem カーネルコンポーネント: GPLv2
• 例: MIT/GPLv2 デュアルライセンス

参考文献

• ブログ記事: https://cakehonolulu.github.io/introducing-pciem/
• Hackernews 記事: https://news.ycombinator.com/item?id=46689065
• PCI Express 仕様: https://pcisig.com/specifications