PCIem

Что такое PCIem?

PCIem — это фреймворк, создающий виртуальные PCIe-устройства в ядре Linux с использованием нескольких новых методик для представления синтетических карт в качестве легитимных PCI-устройств для хост-ОС.

Если кратко: PCIem — это фреймворк для (хотя и не ограничиваясь) разработки и тестирования драйверов PCIe-устройств без необходимости наличия реального оборудования на хосте.

Сравнение с libfvio-user

PCIem и libfvio-user — это два разных решения для разных задач; между ними может возникнуть путаница, поэтому ниже приведены различия (см. рисунок 1 для подробностей).

Основное отличие в том, что libvfio-user обычно полагается на клиент (реализующий протокол vfio-user), обычно QEMU (через KVM, с использованием VM-exit'ов), чтобы предоставить эмулированное PCIe-устройство гостевой системе. Вы пишете свой vfio-сервер (обычно с механизмом обратных вызовов), который взаимодействует с клиентом.

PCIem же делает следующее: выставляет устройство напрямую на хосте; никакого KVM, гостей, виртуальных машин — ничего. Устройство появляется на шине PCIe хоста так, как если бы оно было физически подключено.

Архитектура

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

Текущие возможности

• Создание BAR: Программное создание и мониторинг областей BAR.
• Трассировка MMIO BAR: Обнаружение операций чтения/записи MMIO и уведомление о них для избежания опроса на предмет доступа.
• Поддержка прерываний: Внедрение прерываний Legacy/MSI/MSI-X.
• Фреймворк возможностей PCI: Система возможностей PCI (основана на связном списке).
• Система DMA: DMA-доступы с учётом IOMMU из/в пользовательское пространство устройства.
  • Предварительная поддержка P2P: Прямой доступ к памяти между устройствами с контролем доступа на основе белого списка.
• Пользовательское пространство: Реализуйте свои PCIe-устройства полностью в пользовательском пространстве.

Минимальная поддерживаемая среда

• Версия ядра Linux: 6.6
• Компилятор C: gcc-12
• Архитектура: amd64/i386, aarch64, riscv

Примечание для aarch64: Протестировано на Raspberry Pi 4b, дерево устройств (без ACPI)

Примечание для riscv: Протестировано на VisionFive 2 (дерево устройств) и Muse Pi Pro (дерево устройств и ACPI)

Статус CI

Примеры

Bochs BGA (drm) Карта

Карта, совместимая с Bochs BGA (bochs-drm), которая может управляться утилитами пользовательского пространства, такими как Weston; использует SDL3.

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

Контроллер NVME

Контроллер NVME с подключенным хранилищем на 1 ГБ. Пользователь может свободно форматировать, монтировать, создавать и удалять файлы в памяти.

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

Intel HDA Карта

Модель эмуляции, совместимая с ICH6, способная воспроизводить сэмплы совместно с pipewire.

ПРИМЕЧАНИЕ: Небольшое потрескивание звука слышно только на записи, в остальном работает нормально

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

Intel E1000 Карта

Довольно простая реализация карты E1000. Поддерживает перенаправление связи на/с вашей реальной сетевой карты. Также может использовать Wi-Fi, но менее стабильно.

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

Лицензия

• Компоненты ядра PCIem: GPLv2
• Примеры: двойная MIT/GPLv2.

Ссылки

• Пост в блоге: https://cakehonolulu.github.io/introducing-pciem/
• Пост на Hackernews: https://news.ycombinator.com/item?id=46689065
• Спецификация PCI Express: https://pcisig.com/specifications