專利名稱：一種虛擬機系統(tǒng)及其硬件設備訪問方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種虛擬機技術，特別是涉及一種虛擬機系統(tǒng)及其硬件設備訪問方法。
背景技術：
在現(xiàn)有的虛擬化過程中，都有一個通用的虛擬設備平臺，包括虛擬聲卡、虛擬顯卡等，由虛擬機監(jiān)視器(Virtual Machine Monitor，VMM)將客戶操作系統(tǒng)(Guest OS)對虛擬設備平臺中的虛擬設備的訪問通過服務操作系統(tǒng)(Service OS)或者主機操作系統(tǒng)(Host OS)訪問到真實的硬件上。
圖1為現(xiàn)有的Xen虛擬機系統(tǒng)的示意圖。如圖1所示，Xen虛擬機系統(tǒng)包括客戶操作系統(tǒng)、服務操作系統(tǒng)、虛擬機監(jiān)視器以及硬件。其中，客戶操作系統(tǒng)中提供有應用以及驅動模塊，服務操作系統(tǒng)具有設備模塊(DeviceModel，DM)、以及驅動模塊。
以下將參照圖2說明在上述Xen虛擬機系統(tǒng)中客戶操作系統(tǒng)對硬件的訪問過程。
在客戶操作系統(tǒng)進行硬件訪問之前，首先，服務操作系統(tǒng)在啟動時，掃描PCI總線，為硬件分配資源，包括IRQ、IO和MMIO等，當創(chuàng)建客戶操作系統(tǒng)時通過設備模塊為客戶操作系統(tǒng)生成虛擬硬件平臺；客戶操作系統(tǒng)在啟動時，掃描虛擬PCI總線，為虛擬硬件分配資源。在客戶操作系統(tǒng)為虛擬硬件分配資源之后，可以對設備IO進行訪問。
下面具體描述客戶操作系統(tǒng)進行設備IO訪問時的過程客戶操作系統(tǒng)在需要訪問硬件IO空間時，通過虛擬硬件驅動模塊發(fā)出相應的IO請求；虛擬機監(jiān)視器截獲客戶操作系統(tǒng)的驅動模塊發(fā)出的IO請求，并將IO請求發(fā)送給服務操作系統(tǒng)中的設備模塊；設備模塊分析IO請求后將其轉換成相應的調用指令，由服務操作系統(tǒng)的驅動模塊將調用指令轉換成IO指令后調用相應的硬件；在獲得硬件響應后，服務操作系統(tǒng)將該響應通過虛擬機監(jiān)視器傳給客戶操作系統(tǒng)，從而完成客戶操作系統(tǒng)對硬件的訪問。
以上只是以Xen虛擬機系統(tǒng)為例說明客戶操作系統(tǒng)對硬件設備的訪問過程，對于其他虛擬機系統(tǒng)，如VMware虛擬機系統(tǒng)，也執(zhí)行類似的訪問過程，只是將Xen虛擬機系統(tǒng)的服務操作系統(tǒng)所做的工作由主機操作系統(tǒng)完成。
由于現(xiàn)有虛擬機系統(tǒng)無法解決多個客戶操作系統(tǒng)對真實硬件的共享問題，因此，在上述通用的虛擬化平臺中，不論真實的硬件平臺是什么，虛擬化出來的設備都一致，雖然這樣對于各個客戶操作系統(tǒng)都適用，但會出現(xiàn)以下問題1)虛擬機系統(tǒng)顯示的硬件設備與真實的硬件設備不一致，用戶無法看到真實的硬件；2)此外，真實硬件的一些特性無法使用，如顯卡的硬件加速特性，USB的新標準、聲卡的高級特性等；3)由于客戶操作系統(tǒng)需要通過虛擬機監(jiān)視器、以及服務操作系統(tǒng)后才能訪問到硬件，因此增加了相應的中間過程，這樣將影響到硬件訪問的性能。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，提供一種虛擬機系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一目的是，提供一種虛擬機系統(tǒng)硬件設備訪問方法。
一種虛擬機系統(tǒng)，包括服務操作系統(tǒng)、客戶操作系統(tǒng)、虛擬機監(jiān)視器以及硬件，服務操作系統(tǒng)包括設備模塊和驅動模塊，客戶操作系統(tǒng)包括掃描模塊和驅動模塊，虛擬機監(jiān)視器包括資源轉換模塊。所述資源轉換模塊用于存儲服務操作系統(tǒng)為硬件設備分配的資源、客戶操作系統(tǒng)對服務操作系統(tǒng)為其提供的硬件設備分配的資源二者之間的轉換關系；以及，在客戶操作系統(tǒng)發(fā)出訪問硬件設備的請求時，所述資源轉換模塊用于根據(jù)上述轉換關系將客戶操作系統(tǒng)的訪問地址轉化成對應硬件設備的真實物理地址。
一種虛擬機系統(tǒng)硬件設備訪問方法，包括步驟步驟600，客戶操作系統(tǒng)訪問硬件設備時，產生相應的訪問請求；步驟610，虛擬機監(jiān)視器截獲所述訪問請求，并根據(jù)預先存儲的轉換關系將客戶操作系統(tǒng)的訪問地址轉化成對應硬件設備的真實物理地址；步驟620，在訪問硬件設備后，虛擬機監(jiān)視器將訪問結果轉給客戶操作系統(tǒng)。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是1)虛擬機系統(tǒng)顯示的硬件設備與真實的硬件設備一致，用戶可以看到并使用真實的硬件；2)由于客戶操作系統(tǒng)可以直接或者通過虛擬機監(jiān)視器訪問到真實硬件，這樣提高了虛擬機系統(tǒng)硬件訪問的效率。


圖1為現(xiàn)有的Xen虛擬機系統(tǒng)的示意圖；圖2為圖1所示的虛擬機系統(tǒng)中客戶操作系統(tǒng)訪問硬件設備的流程圖；圖3為本發(fā)明的虛擬機系統(tǒng)的結構示意圖；圖4為本發(fā)明虛擬機系統(tǒng)資源分配的流程圖；圖5為本發(fā)明虛擬機系統(tǒng)中硬件設備訪問方法的流程圖。
具體實施例方式
以下結合

本發(fā)明的虛擬機系統(tǒng)及其硬件訪問方法。
圖3為本發(fā)明的虛擬機系統(tǒng)的結構示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的虛擬機系統(tǒng)包括服務操作系統(tǒng)、客戶操作系統(tǒng)、虛擬機監(jiān)視器以及硬件。其中，服務操作系統(tǒng)包括設備模塊和驅動模塊，客戶操作系統(tǒng)包括掃描模塊和驅動模塊，為了能夠實現(xiàn)客戶操作系統(tǒng)直接訪問硬件，虛擬機監(jiān)視器包括資源轉換模塊，例如，IRQ轉換模塊、IO轉換模塊以及MMIO映射模塊。
以一個客戶操作系統(tǒng)為例，在本發(fā)明中，為了解決系統(tǒng)內存與硬件作DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問)操作的問題，將原來運行在低端內存的虛擬機監(jiān)視器的地址從低端內存移到高端內存，即，使客戶操作系統(tǒng)的物理內存地址與機器的內存地址一致。
在客戶操作系統(tǒng)訪問硬件之前，需要服務操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)對硬件的IRQ、IO以及MMIO等資源進行分配，圖4為本發(fā)明虛擬機系統(tǒng)資源分配的流程圖。
如圖4所示，服務操作系統(tǒng)在啟動時，掃描PCI總線，為硬件設備分配IRQ、IO和MMIO等資源，將分配的IRQ、IO、MMIO等寫入各硬件設備的PCI配置空間。
設備模塊根據(jù)配置文件的設置為客戶操作系統(tǒng)提供硬件設備，對于需要直接訪問的硬件設備，從服務操作系統(tǒng)獲得設備的真實信息，并把這些設備掛到虛擬的PCI總線上，在客戶操作系統(tǒng)啟動后掃描虛擬PCI總線時，將硬件設備的真實信息通知客戶操作系統(tǒng)，讓客戶操作系統(tǒng)看到真實的硬件設備。
客戶操作系統(tǒng)在掃描虛擬PCI總線時，對服務操作系統(tǒng)為其提供的硬件設備分配IRQ、IO、MMIO等資源。
由于每個客戶操作系統(tǒng)都會對服務操作系統(tǒng)提供的硬件設備分配IRQ、IO、MMIO等資源，服務操作系統(tǒng)對所有的硬件設備分配IRQ、IO、MMIO等資源，這樣，當客戶操作系統(tǒng)和服務操作系統(tǒng)對同一硬件設備進行資源分配時，可能會產生沖突。
在存在沖突的情況下，為了防止沖突，在本發(fā)明中，在客戶操作系統(tǒng)掃描虛擬PCI總線為硬件設備分配IRQ、IO、MMIO資源時，設備模塊通過虛擬機監(jiān)視器截獲分配信息，對客戶操作系統(tǒng)的資源分配進行解析，將客戶操作系統(tǒng)和服務操作系統(tǒng)對硬件設備的資源分配建立映射關系，也就是，將客戶操作系統(tǒng)對硬件設備的資源分配與服務操作系統(tǒng)對硬件設備的資源分配之間建立對應關系。
然后，設備模塊將建立的映射關系下發(fā)到虛擬機監(jiān)視器中的資源轉換模塊，即，設備模塊將客戶操作系統(tǒng)分配的IO和IRQ的轉換關系分別下發(fā)到虛擬機監(jiān)視器的IO轉換模塊和IRQ轉換模塊，并將MMIO映射關系下發(fā)到虛擬機監(jiān)視器的MMIO映射模塊，使客戶操作系統(tǒng)分配的MMIO地址映射到服務操作系統(tǒng)分配給硬件設備的MMIO地址上。
以下參照圖5說明本發(fā)明虛擬機系統(tǒng)中硬件設備訪問方法。
當客戶操作系統(tǒng)需要訪問硬件設備時，其驅動模塊產生相應的IO請求；虛擬機監(jiān)視器截獲該IO請求，并將IO請求通過IO轉換模塊將客戶操作系統(tǒng)的IO地址(訪問地址)轉化成對應硬件設備的真實IO地址(真實的物理地址)后，直接訪問硬件設備；在虛擬機監(jiān)視器訪問硬件設備后，將訪問結果轉給客戶操作系統(tǒng)。
另外，當客戶操作系統(tǒng)訪問硬件時，也可以通過MMIO映射模塊將客戶操作系統(tǒng)分配的MMIO映射到物理MMIO(服務操作系統(tǒng)分配的MMIO地址)。當發(fā)生頁表錯誤(Page Fault)時，虛擬機監(jiān)視器將MMIO對應的真實地址寫入影子頁表(Shadow Page Tables)。這樣客戶服務系統(tǒng)通過VMM建立的影子頁表可以直接訪問到設備的MMIO地址。
當硬件設備產生中斷時，虛擬機監(jiān)視器通過IRQ轉換模塊根據(jù)轉換關系將硬件設備產生的中斷轉化成客戶操作系統(tǒng)的中斷號再發(fā)給客戶操作系統(tǒng)。
這樣，通過設備模塊和虛擬機監(jiān)視器，客戶操作系統(tǒng)可以直接訪問到真實的硬件設備。
當客戶操作系統(tǒng)和服務操作系統(tǒng)對同一硬件設備進行資源分配時，如果二者分配的IO資源不沖突，那么可以通過修改VMCS(Virtual-Machine ControlStructure，虛擬機控制結構)中的數(shù)據(jù)，使得客戶操作系統(tǒng)訪問硬件設備時不發(fā)生VM exit(虛擬機退出)，也就是通過修改VMCS替換上述的IO轉換模塊，就可以直接訪問到硬件的IO地址。
從上述描述可以看出，相對于現(xiàn)有的虛擬機系統(tǒng)和硬件訪問方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點1)虛擬機系統(tǒng)顯示的硬件設備與真實的硬件設備一致，用戶可以看到并使用真實的硬件；2)由于客戶操作系統(tǒng)可以直接或者通過虛擬機監(jiān)視器訪問到真實硬件，這樣提高了虛擬機系統(tǒng)硬件訪問的效率。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求
1.一種虛擬機系統(tǒng)，包括服務操作系統(tǒng)、客戶操作系統(tǒng)、虛擬機監(jiān)視器以及硬件，服務操作系統(tǒng)包括設備模塊和驅動模塊，客戶操作系統(tǒng)包括掃描模塊和驅動模塊，其特征在于，虛擬機監(jiān)視器包括資源轉換模塊，所述資源轉換模塊用于存儲服務操作系統(tǒng)為硬件設備分配的資源、客戶操作系統(tǒng)對服務操作系統(tǒng)為其提供的硬件設備分配的資源二者之間的轉換關系，以及，在客戶操作系統(tǒng)發(fā)出訪問硬件設備的請求時，所述資源轉換模塊用于根據(jù)上述轉換關系將客戶操作系統(tǒng)的訪問地址轉化成對應硬件設備的真實物理地址。
2.如權利要求1所述的虛擬機系統(tǒng)，其特征在于，所述資源轉換模塊包括IO轉換模塊，用于存儲所述轉換關系中的IO轉換關系，并在客戶操作系統(tǒng)發(fā)出IO請求時，根據(jù)IO轉換關系將客戶操作系統(tǒng)的訪問地址轉化成對應硬件設備的真實物理地址。
3.如權利要求1或2所述的虛擬機系統(tǒng)，其特征在于，所述資源轉換模塊包括MMIO映射模塊，用于存儲所述轉換關系中的MMIO映射轉換關系，在客戶操作系統(tǒng)訪問硬件設備時，將客戶操作系統(tǒng)分配的MMIO映射到物理MMIO。
4.如權利要求1至3任一項所述的虛擬機系統(tǒng)，其特征在于，所述資源轉換模塊進一步包括IRQ轉換模塊，用于存儲所述轉換關系中的IRQ轉換關系，并在硬件設備產生中斷時，根據(jù)IRQ轉換關系將硬件設備產生的中斷轉化成客戶操作系統(tǒng)的中斷號后發(fā)給客戶操作系統(tǒng)。
5.如權利要求1至4任一項所述的虛擬機系統(tǒng)，其特征在于，客戶操作系統(tǒng)的物理內存地址與機器的內存地址一致。
6.一種虛擬機系統(tǒng)硬件設備訪問方法，其特征在于，包括步驟步驟600，客戶操作系統(tǒng)訪問硬件設備時，產生相應的訪問請求；步驟610，虛擬機監(jiān)視器截獲所述訪問請求，并根據(jù)預先存儲的轉換關系將客戶操作系統(tǒng)的訪問地址轉化成對應硬件設備的真實物理地址；步驟620，在訪問硬件設備后，虛擬機監(jiān)視器將訪問結果轉給客戶操作系統(tǒng)。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，生成所述預先存儲的轉換關系的步驟包括步驟700，服務操作系統(tǒng)在啟動時，掃描PCI總線，為硬件設備分配資源，將分配的資源寫入各硬件設備的PCI配置空間；步驟710，設備模塊根據(jù)配置文件的設置為客戶操作系統(tǒng)提供硬件設備，并在客戶操作系統(tǒng)啟動后掃描虛擬PCI總線時，將硬件設備的真實信息通知客戶操作系統(tǒng)；步驟720，在客戶操作系統(tǒng)掃描虛擬PCI總線時，對服務操作系統(tǒng)中設備模塊為其提供的硬件設備分配資源；步驟730，設備模塊通過虛擬機監(jiān)視器截獲資源分配信息，將客戶操作系統(tǒng)和服務操作系統(tǒng)對硬件設備的資源分配建立轉換關系，并將建立的轉換關系下發(fā)到虛擬機監(jiān)視器中的資源轉換模塊。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述轉換關系包括IO轉換關系和/或MMIO映射關系。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述轉換關系進一步包括IRQ轉換關系，并在硬件設備產生中斷時，虛擬機監(jiān)視器根據(jù)IRQ轉換關系將硬件設備產生的中斷轉化成客戶操作系統(tǒng)的中斷號后發(fā)給客戶操作系統(tǒng)。
10.如權利要求6至9任一項所述的方法，其特征在于，客戶操作系統(tǒng)的物理內存地址與機器的內存地址一致。
11.一種虛擬機系統(tǒng)硬件設備訪問方法，其特征在于，通過修改虛擬機控制結構中的數(shù)據(jù)，使得客戶操作系統(tǒng)訪問硬件設備時不發(fā)生虛擬機退出，從而直接訪問到硬件設備的IO地址。
全文摘要
本發(fā)明提供一種虛擬機系統(tǒng)以及硬件設備訪問方法。該虛擬機系統(tǒng)包括服務操作系統(tǒng)、客戶操作系統(tǒng)、虛擬機監(jiān)視器以及硬件，服務操作系統(tǒng)包括設備模塊和驅動模塊，客戶操作系統(tǒng)包括掃描模塊和驅動模塊。其中，虛擬機監(jiān)視器包括資源轉換模塊，該資源轉換模塊用于存儲服務操作系統(tǒng)為硬件設備分配的資源、客戶操作系統(tǒng)對服務操作系統(tǒng)為其提供的硬件設備分配的資源二者之間的轉換關系；以及，在客戶操作系統(tǒng)發(fā)出訪問硬件設備的請求時，所述資源轉換模塊用于根據(jù)上述轉換關系將客戶操作系統(tǒng)的訪問地址轉化成對應硬件設備的真實物理地址。通過本發(fā)明，在使得用戶看到并使用真實硬件設備的同時，提高虛擬機系統(tǒng)硬件設備訪問的效率。
文檔編號G06F9/455GK101059761SQ200610076390
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權日2006年4月20日
發(fā)明者劉春梅, 陳軍, 劉永鋒, 石勇 申請人:聯(lián)想(北京)有限公司