xemu项目中PCI Express到PCI桥接技术详解-优快云博客

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xemu项目中PCI Express到PCI桥接技术详解

xemu Original Xbox Emulator for Windows, macOS, and Linux (Active Development) 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/xe/xemu

概述

在现代虚拟化环境中，xemu项目实现了一种通用的PCI Express(PCIE)到PCI桥接技术，用于在Q35架构的虚拟机上创建传统的PCI设备层次结构。这项技术解决了传统Intel DMI-to-PCI桥接方案存在的诸多限制，为虚拟化环境中的设备连接提供了更灵活、更兼容的解决方案。

技术背景

传统Intel DMI-to-PCI桥接方案存在三个主要限制：

不支持热插拔功能
缺乏跨平台支持
架构兼容性有限

xemu项目实现的通用PCIE-PCI桥接器则完全克服了这些限制，它不仅支持跨平台使用，还能实现桥接器本身的热插拔以及桥接器上PCI设备的热插拔（部分功能需满足特定条件）。

核心功能特性

1. 热插拔支持

PCIE-PCI桥接器内置了标准热插拔控制器(Standard Hot-plug Controller)，这使得它能够支持PCI设备的热插拔操作。不过需要注意的是，这项功能在不同操作系统上有不同的支持程度。

2. 总线资源预留机制

为了实现桥接器的热插拔功能，系统需要在固件层面预留额外的总线资源。目前xemu项目仅支持SeaBIOS固件，通过特殊的Red Hat厂商特定PCI能力来实现这一机制。

技术实现细节

资源预留能力结构

资源预留能力采用特定的数据结构，定义如下：

struct {
    uint8_t id;         // 标准PCI能力头字段
    uint8_t next;       // 标准PCI能力头字段
    uint8_t len;        // 厂商特定能力头字段
    
    uint8_t type;       // Red Hat厂商特定能力类型
    uint32_t bus_res;   // 需要预留的最小总线数量
    
    uint64_t io;        // 需要预留的IO空间
    uint32_t mem;       // 需要预留的非预取内存
    
    // 以下两个字段最多只能设置一个非-1的值
    uint32_t mem_pref_32; // 32位预取内存预留
    uint64_t mem_pref_64; // 64位预取内存预留
}

当字段值为-1时，表示不需要该类型的资源预留。

使用指南

典型配置示例

以下是一个完整的PCIE-PCI桥接配置示例：

qemu-system-x86_64 \
-m 2G \
-device pcie-root-port,bus=pcie.0,id=rp1,slot=1 \
-device pcie-root-port,bus=pcie.0,id=rp2,slot=2 \
-device pcie-root-port,bus=pcie.0,id=rp3,slot=3,bus-reserve=1 \
-device pcie-pci-bridge,id=br1,bus=rp1 \
-device pcie-pci-bridge,id=br2,bus=rp2 \
-device e1000,bus=br1,addr=8

热插拔操作示例

在QEMU监控器中可以执行以下热插拔命令：

device_add pcie-pci-bridge,id=br3,bus=rp3
device_add e1000,bus=br2,addr=1
device_add e1000,bus=br3,addr=1

这个示例展示了：

冷插拔设备：包括带有资源预留能力的根端口、普通根端口、PCIE-PCI桥接器以及网络设备
热插拔设备：包括桥接器和网络设备

兼容性说明

操作系统支持情况

Windows 7及更早版本：不支持在PCIE-PCI桥接器上热插拔设备
Linux系统：有三种方式启用桥接器上的设备热插拔功能：
- 应用特定补丁后重新编译shpchp模块
- 使用4.14及以上版本的内核（已包含相关补丁）
- 将桥接器的'msi'属性设置为off，强制使用传统INTx中断