PCIem

PCIem 是什么？

PCIem 是一个框架，通过利用一些新颖技术，在 Linux 内核中创建虚拟 PCIe 设备，将合成卡作为合法的 PCI 设备呈现给主机操作系统。

简而言之，PCIem 是一个用于（但不限于）开发和测试 PCIe 设备驱动程序的框架，无需主机上的实际硬件。

与 libfvio-user 的比较

PCIem 和 libfvio-user 是两种针对不同需求的解决方案，比较两者时可能会产生混淆，因此此处说明差异（更多信息请参见图1）。

主要区别在于，libvfio-user 通常依赖一个客户端（实现 vfio-user 协议），通常是 QEMU（通过 KVM，使用 VM 退出）将模拟的 PCIe 设备暴露给客户机。你编写你的 vfio 服务器（通常使用回调机制），然后与客户端交互。

而 PCIem 则是将设备直接暴露在主机上；无需 KVM、无需客户机、无需虚拟机，什么都不需要。设备出现在主机的 PCIe 总线上，就像物理连接一样。

架构

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

当前功能

• BAR 创建：以编程方式创建和监控 BAR 区域。
• BAR MMIO 跟踪：MMIO 读/写检测和通知，避免轮询访问。
• 中断支持：支持 Legacy/MSI/MSI-X 中断注入。
• PCI 能力框架：PCI 能力系统（底层链表结构）。
• DMA 系统：支持 IOMMU 感知的 DMA 访问，从/向用户空间设备。
  • P2P 支持（初步！）：基于白名单访问控制的设备间点对点 DMA。
• 用户空间：完全在用户空间实现你的 PCIe 设备。

最低支持环境

• Linux 内核版本：6.6
• C 编译器：gcc-12
• 架构：amd64/i386，aarch64，riscv

aarch64 说明： 已在 Raspberry Pi 4b 上测试，设备树（无 ACPI）

riscv 说明： 已在 VisionFive 2（设备树）和 Muse Pi Pro（设备树和 ACPI）上测试

CI 状态

示例

Bochs BGA (drm) 显卡

一张兼容 Bochs BGA (bochs-drm) 的显卡，可由 Weston 等用户空间工具驱动；使用 SDL3。

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

NVME 控制器

NVME 控制器，附带 1GB 存储空间。用户可以自由格式化、挂载、创建和删除内存中的文件。

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

Intel HDA 声卡

兼容 ICH6 的模拟模型，可与 pipewire 配合播放样本。

注意：录音中仅听到轻微音频爆裂，其他情况下工作正常。

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

Intel E1000 网卡

一个相当朴素的 E1000 网卡实现。支持与真实 NIC 之间的通信重定向。也可以使用 Wi-Fi，但稳定性较差。

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

许可协议

• PCIem 内核组件：GPLv2
• 示例：双许可 MIT/GPLv2

参考资料

• 博客文章：https://cakehonolulu.github.io/introducing-pciem/
• Hackernews 帖子：https://news.ycombinator.com/item?id=46689065
• PCI Express 规范：https://pcisig.com/specifications