PCIem

O que é o PCIem?

O PCIem é um framework que cria dispositivos PCIe virtuais no kernel Linux, utilizando algumas técnicas inovadoras para apresentar placas sintéticas como dispositivos PCI legítimos ao SO do host.

Para resumir o que é o PCIem: um framework para (embora não limitado a) desenvolver e testar drivers de dispositivos PCIe sem exigir hardware real no host.

Comparação com o libfvio-user

O PCIem e o libfvio-user são duas soluções diferentes para necessidades diferentes; pode haver confusão ao compará-los, portanto, aqui estão as diferenças (Veja a figura 1 para mais detalhes).

A principal diferença é que o libvfio-user normalmente depende de um cliente (que implementa o protocolo vfio-user), geralmente QEMU (através de KVM, usando VM exits) para expor o dispositivo PCIe emulado ao convidado. Você escreve seu servidor vfio (geralmente com um mecanismo de callback) que então interage com o cliente.

O que o PCIem faz, em vez disso, é expor o dispositivo diretamente no host; sem KVM, sem convidados, sem máquinas virtuais, nada. O dispositivo aparece no barramento PCIe do host como se estivesse fisicamente conectado.

Arquitetura

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 Atuais

• Criação de BARs: Criar e monitorar regiões BAR programaticamente.
• Rastreamento de MMIO em BARs: Detecção de leitura/escrita MMIO e notificação para evitar polling.
• Suporte a interrupções: Injeção de interrupções Legacy/MSI/MSI-X.
• Framework de capacidades PCI: Sistema de capacidades PCI (lista encadeada internamente).
• Sistema DMA: Acessos DMA com consciência de IOMMU de/para o dispositivo no espaço do usuário.
  • Suporte P2P (Preliminar!): DMA ponto a ponto entre dispositivos com controle de acesso baseado em lista de permissões.
• Espaço do usuário: Implemente seus dispositivos PCIe inteiramente no espaço do usuário.

Ambiente mínimo suportado

• Versão do kernel Linux: 6.6
• Compilador C: gcc-12
• Arquitetura: amd64/i386, aarch64, riscv

nota aarch64: Testado com Raspberry Pi 4b, device-tree (sem ACPI)

nota riscv: Testado com VisionFive 2 (Device-tree) e Muse Pi Pro (Device-tree e ACPI)

Status da CI

Exemplos

Placa Bochs BGA (drm)

Uma placa compatível com Bochs BGA (bochs-drm) que pode ser utilizada por utilitários no espaço do usuário, como o Weston; usa SDL3.

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

Controlador NVME

Controlador NVME com 1GB de armazenamento anexado. O usuário pode livremente formatar, montar, criar e remover arquivos da memória.

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

Placa Intel HDA

Modelo de emulação compatível com ICH6 que pode reproduzir samples em conjunto com o pipewire.

NOTA: Leve estalo de áudio apenas na gravação; funciona bem no geral

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

Placa Intel E1000

Uma implementação bastante ingênua da placa E1000. Suporta redirecionamento de comunicações de/para sua NIC real. Também pode usar Wi-Fi, mas é menos estável.

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

Licença

• Componentes do kernel do PCIem: GPLv2
• Exemplos: dual MIT/GPLv2.

Referências

• Post no blog: https://cakehonolulu.github.io/introducing-pciem/
• Post no Hackernews: https://news.ycombinator.com/item?id=46689065
• Especificação PCI Express: https://pcisig.com/specifications