一種虛擬機系統及其顯卡使用方法

2023-10-11 22:49:04 2

專利名稱：一種虛擬機系統及其顯卡使用方法
技術領域：
本發明涉及計算機領域，特別是涉及一種虛擬機系統及其顯卡使用方法。
背景技術：
隨著計算機系統的發展，虛擬化技術在計算機領域得到廣泛應用。現代 計算機已經具有能力來利用虛擬化技術支持多個虛擬機，並在每個虛擬機上 各自運行單獨的作業系統。
在虛擬機系統中，各作業系統都需要對硬體進行訪問，其中對顯卡的訪 問相對來說是一個比較複雜的問題，對顯卡的不同使用方法是影響用戶體驗
的一個重要因素。目前，VMWare及Virtual PC等主流虛擬化技術所採用的方 案大同小異，都是為客戶作業系統(GOS)提供一個虛擬化了的顯卡。該虛 擬顯卡是一個通用的顯卡，只能實現基本的顯示功能，與真實的顯卡差別很 大。
圖l為現有技術的虛擬機系統中顯卡訪問的示意圖。該虛擬機系統包括 虛擬機監視器(VMM)、服務作業系統(SOS)和至少一個GOS (圖1中以 l個GOS為例進行說明)。
SOS啟動時，掃描PCI總線，發現真實顯卡，獲取真實顯卡信息，為本 系統分配真實顯卡資源(IRQ、 10、 MMIO)， SOS通過真實顯卡的驅動模塊 對顯卡進行訪問。
SOS包含至少一個設備模型(DM)，每個DM對應一個GOS，為GOS 提供一個虛擬顯卡。GOS啟動時，掃描PCI總線，其掃描操作被VMM攔截， 並轉發到DM裡的虛擬PCI總線，DM給該GOS註冊虛擬顯卡。GOS發現 虛擬顯卡，獲取虛擬顯卡信息，為本GOS分配虛擬顯卡資源(IRQ、 10、 MMIO)，並保存在DM的虛擬顯卡的PCI配置空間裡，VMM從中獲得虛擬 顯卡的資源範圍(中斷號，各個IO段，各個MMIO段)。GOS通過虛擬顯卡 的驅動模塊訪問虛擬顯卡時，GOS在訪問虛擬顯卡時候，其對虛擬顯卡的訪
問操作(IO,MMIO)被VMM攔截，VMM將訪問數據發送到DM; DM對訪 問數據進行轉換後，發送到真實顯卡的驅動模塊；真實顯卡的驅動模塊對接 收到的數據進行處理後發送到顯卡。
該虛擬機系統包括一個或多個GOS，各個GOS作業系統都是通過SOS 訪問顯卡。所以，除了 SOS可以看到真實顯卡，並利用真實顯卡的驅動模塊 訪問顯卡外，每個GOS看到的都是由DM提供的虛擬顯卡，並利用虛擬顯卡 的驅動模塊對顯卡進行訪問，這樣，虛擬機系統的顯示是通過SOS來顯示的， 不具備2D， 3D等加速特性，顯卡的硬體加速特性無法被用戶使用，甚至不 支持3D動畫的功能，影響了顯示性能。此外各GOS在顯示時候，需用在GOS， SOS的DM， SOS的真實顯卡的驅動模塊，VMM之間來回傳遞數據和切換 環境，使整個系統的效率降低。

發明內容
本發明的目的在於提供一種虛擬機系統及其顯卡使用方法，其能使GOS 訪問真實顯卡的同時可以在多個虛擬機之間切換顯示。
為了實現上述目的，本發明提供了一種虛擬機系統，包括服務作業系統 SOS、 一個或多個客戶作業系統GOS、虛擬機監視器VMM和顯卡，其中
所述VMM中設置有一資源轉換模塊，用於根據資源轉換錶轉換處於前 臺的GOS的顯卡驅動模塊和顯卡之間交互的數據，並用於攔截處於後臺的 GOS對真實顯卡的訪問後響應其對顯卡的操作；
所述VMM中還設置有一切換模塊，用於根據切換VM的命令更改相應 VM的狀態，並保存VM切換為後臺前的顯卡狀態，並在所述VM重新切換 為前臺時將保存的顯卡狀態恢復到顯卡；
所述客戶作業系統包括一對應於真實顯卡的顯卡驅動模塊，用於訪問真 實顯卡。
上述的虛擬機系統，其中，所述資源轉換模塊還用於根據處於後臺的VM 對顯卡的操作相應修改所述切換模塊中保存的顯卡狀態數據。
上述的虛擬機系統，其中，所述資源轉換模塊還用於拋棄處於後臺的VM 對顯卡的操作中不影響顯卡狀態寄存器的操作。
上述的虛擬機系統，其中，所述VMM還包括通信模塊，用於服務作業系統、客戶作業系統、VMM三者之間的通信。 上述的虛擬機系統，其中，所述服務作業系統包括
設備模型DM，用於為GOS提供虛擬的PCI總線或PCI—E總線，並用 於在接收到VMM轉發的GOS掃描PCI總線的操作後，從真實顯卡的PCI 配置空間讀取真實顯卡的信息，並給GOS註冊包含真實顯卡信息的PCI設備 或PCI—E設備。
上述的虛擬機系統，其中，所述資源轉換表保存在VMM的空間中，或 保存在GOS虛擬機的上下文環境中。
上述的虛擬機系統，其中，所述資源轉換表具體包括虛擬機號，設備 號，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中斷號，Machine中斷號，MachineIO 段，MachineMMIO段，。
為了更好的實現上述目的，本發明還提供了一種虛擬機系統的顯卡使用 方法，其中，
VMM中的資源轉換模塊根據資源轉換錶轉換處於前臺的GOS的顯卡驅 動模塊和顯卡之間交互的數據，同時攔截處於後臺的GOS對真實顯卡的訪問 後響應其對顯卡的操作；
VMM中的切換模塊根據切換VM的命令更改相應VM的狀態，並保存 VM切換為後臺前的顯卡狀態，並在所述VM重新切換為前臺時將保存的顯 卡狀態恢復到顯卡；
所述客戶作業系統包含對應於真實顯卡的顯卡驅動模塊。上述的方法， 其中，所述資源轉換模塊還根據處於後臺的VM對顯卡的操作相應修改所述 切換模塊中保存的顯卡狀態數據。
上述的方法，其中，切換模塊通過調用標準BIOS，執行VGABIOS,或 直接對顯卡進行操作將要切換到後臺的前臺GOS的顯卡狀態保存到對應 GOS的顯卡狀態數據裡。
上述的方法，其中，切換模塊通過調用標準BIOS，執行VGA BIOS,或 直接對顯卡進行操作將要切換到前臺的GOS的顯卡狀態恢復到真實顯卡。
上述的方法，其中，GOS處於前臺還是後臺通過為GOS所在的VM設 置的指定其處於前臺還是後臺的標識來判斷。
上述的方法，其中，所述資源轉換表保存在VMM的空間中，或保存在 GOS虛擬機的上下文環境中。
上述的方法，其中，所述資源轉換表具體包括虛擬機號，設備號，GuestIO 段，GuestMMIO段，Guest中斷號，Machine中斷號，MachineIO段， MachineMMIO段。
本發明的系統和方法，通過在VMM中設置有一資源轉換模塊，轉換處 於前臺的GOS的顯卡驅動模塊和顯卡之間交互的數據，並用於攔截處於後臺 的GOS對真實顯卡的訪問後響應其對顯卡的操作，能保證同一時間只有一個 GOS能訪問真實的顯卡，同時，由於GOS的PCI總線(PCI-E總線)包含的是 真實顯卡信息，GOS包含的是對應於真實顯卡的顯卡驅動程序，因此在訪問 時是安裝對真實顯卡的方式訪問，能訪問真實顯卡。
同時，本發明的系統和方法，在切換時，保存切換前對應於該GOS的顯 卡的狀態，同時對應更新處於後臺的GOS的顯卡操作造成的顯卡狀態的變 化，因此在GOS恢復到前臺後，將保存的顯卡狀態恢復到真實顯卡上即可保 持狀態的一致性，有效地解決了多虛擬機之間的切換顯示的問題。


圖1為現有技術的虛擬機系統中顯卡訪問的示意圖； 圖2為本發明的虛擬機系統的結構示意圖；
具體實施例方式
本發明的虛擬機系統包括服務作業系統sos、 一個或多個客戶作業系統
GOS、虛擬機監視器VMM和顯卡，其中 VMM包括
通信模塊，分別與SOS、 GOS連接，用於SOS、 GOS、 VMM三者之間 的通信；其中VMM通過中斷或事件通道(Event Channel)與SOS和GOS 通信，SOS通過hypercall與VMM通信，GOS通過vmcall與VMM通信；
資源轉換模塊，連接GOS的顯卡驅動模塊和顯卡，並根據資源轉換錶轉 換處於前臺的GOS的顯卡驅動模塊和顯卡之間交互的數據，同時還攔截處於 後臺的GOS對真實顯卡的訪問後響應其對顯卡的操作，其中該轉換操作包 括
根據資源轉換表將將來自GOS的顯卡訪問數據進行IO地址地轉換或將 MMIO映射到顯卡的物理MMIO後發送給真實顯卡；和
根據資源轉換表將接收到的顯卡的IRQ轉換成GOS的中斷號後發送給 GOS。
VMM中還設置有一切換模塊，用於根據切換VM的命令更改相應VM 的狀態，並保存VM切換為後臺前的顯卡狀態，並在所述VM重新切換為前 臺時將保存的顯卡狀態恢復到顯卡；在本發明的圖2中，切換模塊通過資源 轉換模塊獲取顯卡狀態，當然也可以直接從顯卡獲取其狀態。
服務作業系統SOS包括
設備模型DM，用於為GOS提供虛擬的PCI總線(PCI—E總線)，，並 用於在接收到VMM轉發的GOS掃描PCI總線的操作後，從真實顯卡的PCI 配置空間讀取真實顯卡的信息，並給GOS註冊包含真實顯卡的信息的PCI (PCI—E)設備；
GOS包括
顯卡驅動模塊，對應於真實顯卡，用於訪問真實顯卡；
GOS發現顯卡並獲取顯卡信息後，將顯卡資源(IRQ、 10、 MMIO)分 配給本系統，並將顯卡資源配置信息保存在DM的虛擬PCI總線(PCI—E總 線)的PCI配置空間中；
其中，上面提到的資源轉換表是在對顯卡的資源配置過程中產生的。配 置過程為SOS啟動，掃描PCI總線，獲取顯卡信息，為顯卡分配資源(IRQ、 10、 MMIO); GOS啟動，掃描虛擬PCI總線，發現由DM提供的真實顯卡， 獲取顯卡信息，為顯卡分配資源(IRQ、 IO、 MMIO); GOS對顯卡的資源分 配由DM負責解析，DM根據SOS對顯卡的資源配置信息和GOS對顯卡的 資源配置信息生成資源轉換表。該資源轉換表中包括SOS和GOS分別對顯 卡分配的IO的對應關係、IRQ的對應關係和MMIO的對應關係。
資源轉換表可以由VMM保存在自己的空間裡，也可以保存在GOS虛擬 機的上下文環境中，具體包括-
虛擬機號，設備號，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中斷號，Machine 中斷號，MachineIO段，MachineMMIO段，其中
虛擬機號表示GOS所在的運行環境；
設備號用於標識顯卡，可以由顯卡在真實總線上的bus number, device number禾口 function number組成；
段可以包括起始地址和長度，也可以是起始地址和結束地址； GuestIO代表GOS掃描虛擬總線為顯卡分配的IO資源； GuestMMIO代表GOS掃描虛擬總線為顯卡分配的MMIO資源； Guest中斷號代表GOS掃描虛擬總線為顯卡分配的中斷號； Machine中斷號代表SOS掃描真實總線為顯卡分配的中斷號； MachinelO代表SOS掃描真實總線為顯卡分配的IO資源。 MachineMMIO代表SOS掃描真實總線為顯卡分配的MMIO資源。 上述的虛擬機系統對顯卡的訪問包括SOS對顯卡的操作和GOS對顯卡的 操作，其中
SOS啟動時，掃描PCI總線，發現真實顯卡，獲取真實顯卡信息，為本系 統分配真實顯卡分配資源(IRQ、 IO、 MMIO) ， SOS通過真實顯卡的驅動模 塊對顯卡進行訪問；
GOS啟動時，掃描PCI總線，其掃描操作被VMM攔截，並通過通信模塊 轉發到DM裡的虛擬PCI總線，DM從真實顯卡的PCI配置空間讀取真實顯卡的 信息，並給GOS註冊真實顯卡的信息。GOS發現顯卡，獲取顯卡信息，為顯 卡進行資源配置(IRQ、 IO、 MMIO)，並保存在DM虛擬的PCI總線的虛擬 顯卡的PC頂己置空間裡。VMM從中獲得虛擬顯卡的資源範圍(中斷號，各個 IO段，各個MMIO段)，並建立GOS的顯卡資源和真實顯卡的資源轉換表。 GOS通過顯卡驅動模塊訪問顯卡時，其對顯卡的訪問操作(IO， MMIO)被 VMM的資源轉換模塊攔截，如果該GOS處於前臺，VMM根據資源轉換表， 把轉換後的操作發送給真實顯卡，並將顯卡返回的IRQ轉換成GOS的Guset中 斷號後發送給GOS，對於處於後臺的GOS，資源轉換模塊攔截其對真實顯卡 的訪問，不讓其訪問真實顯卡。
對於如何判別GOS處於前臺還是後臺，本發明通過以下方法來實現。
對於VMM來說，每個GOS所在的VM都設置一個標誌，標識其為前臺還 是後臺。當該虛擬機獲得時間片運行時，資源轉換模塊根據VM的標識判別其
為前臺還是後臺，VMM保證最多只有一個VM (包括SOS所在的VM)是處於 前臺。
下面結合VM的切換對本發明的方法進行進一步詳細的說明。 切換就是把處於前臺的VM標識為後臺，把一個在後臺不顯示的GOS的標 識為前臺。對於每個處於後臺的VM， VMM攔截其對顯卡的操作後，不把操 作轉換到真實顯卡。只有標識為前臺的VM， VMM攔截其對顯卡的操作後， 由資源轉換模塊把操作轉換到真實顯卡。這樣保證同一時刻只有一個GOS訪 問真實顯卡。
因為顯卡是存在狀態的，比如有三個虛擬機VM1， VM2和VM3，當VM1 處於前臺時對顯卡進行操作，使得顯卡處於狀態statel，此後由於切換操作， VM1被標記為後臺，VM2被標記為前臺，因此VM1不能操作顯卡，顯卡由另 一個虛擬機VM2操作，VM2操作顯卡使得顯卡處於狀態state2。
如果此時再切換到VM1， VMl裡的GOS認為顯卡還是statel狀態，而實際 顯卡己經是state2狀態。VMl的GOS還是按statel狀態操作顯卡，就會出現異 常和錯誤，因此需要進行保存和恢復顯卡狀態的操作。
另外，處於後臺的VM還是認為自己是獨佔顯卡，雖然其操作不發送到真 實顯卡上，但它會認為它的操作已經成功，並已經改變了顯卡的狀態。當該 VM又重新處於前臺時候，其會按它在後臺對顯卡的操作狀態對真實顯卡繼續 進行操作，因此需要跟蹤處於後臺的VM對顯卡的操作所帶來的狀態變化。
下面分別對上面提到的問題進行說明。
對顯卡狀態的保存和恢復可以直接調用BIOS，如中斷lOh的功能ah- 1C, al=l保存顯卡狀態，ah=lC， al = 2恢復顯卡狀態。
如果顯卡廠商的VGA BIOS也提供保存和恢復顯卡的狀態操作，則也可以 直接調用VGA BIOS提供接口 。
此外還可以直接對顯卡編程讀出其顯卡寄存器保存起來，然後再寫回顯 卡寄存器。
因此本發明的方法中可以利用以下方式進行切換-
在VMM中設置一顯卡狀態保存模塊，用於保存前臺VM的顯卡狀態，然 後停止該VM的執行，當該VM被重新切換為前臺時候，將保存的顯卡狀態恢復到顯卡上，這樣能夠保證顯卡狀態的一致。
同時本發明的方法中還可以利用以下方式進行切換，可以在保證狀態一 致的同時，使後臺VM能繼續運行
在VMM中設置與GOS對應的顯卡狀態寄存器，在GOS從前臺切換到後臺 時，首先，把當前真實顯卡的狀態保存到該VM對應的顯卡狀態寄存器，此後 該VM處於後臺，它會繼續對顯卡操作，但此時資源轉換模塊不會把其操作轉 換到真實顯卡(即其不能操作到真實顯卡)，而僅根據其對顯卡的操作，攔截 GOS對該顯卡的操作後，根據攔截的操作數據更新對應的顯卡狀態寄存器， 而其中不影響顯卡狀態寄存器的操作(如對顯卡framebuffer的操作)，則直 接拋棄。當該VM又切換為前臺後，資源轉換模塊將VM的顯卡狀態寄存器的 數據恢復到真實顯卡上。
同時，對於切換VM的操作，可以由VMM攔截鍵盤操作，當攔截的操作 是預定的切換操作命令(如Alt+F2切換VM2到前臺)，也可以是SOS通過網絡獲 取的命令，然後發送給VMM。
同時，對於誰處於前臺還是後臺是動態變化的。 一種變化是用每啟動一 個VM，該VM就標記為前臺，而原來處於前臺的VM標識為後臺。VMM根據 VM的標識來判斷是前臺還是後臺VM，並對顯卡的操作進行相應的處理。
VMM把要切換到前臺的Guest OS的顯卡狀態恢復到真實顯卡上(調用標 準的BIOS，執行VGABIOS,或直接對顯卡進行操作等)，並讓該GuestOS直 接訪問真實顯卡，同時標記該GuestOS為前臺。
對於處於後臺的GuestOS， VMM攔截其對真實顯卡的訪問，並響應其對 顯卡的操作，如模式切換，改變解析度等，但不把具體的IO操作在真實顯卡 上執行，而對於顯卡framebuffer的操作直接拋棄。即對於處於後臺的 GuestOS, VMM模擬GuestOS對真實顯卡的IO操作，並記錄GuestOS所看 見顯卡的狀態；對於framebuffer的操作直接拋棄，不寫入真實的顯卡，這樣 後臺GuestOS以為自己對真實顯卡的操作，但實際上沒有影響真實的顯卡， 不會破壞前臺GuestOS的顯示。
虛擬機技術的所謂的攔截是，當GOS執行一些不能由GOS執行的操作 的時候，CPU的執行陷入到VMM,由VMM執行。VMM代替GOS執行一
些操作後(也可以什麼都不執行)，再切換回去到GOS執行。
模式切換，改變解析度是顯卡狀態的改變。所謂的模擬是VMM代替真 實顯卡響應GOS對顯卡操作。如後臺GOS要讀取顯卡的狀態，VMM返回 的是VM裡的顯卡狀態，而不是真實顯卡的狀態。而對於寫顯卡，僅更新VM 裡的顯卡狀態，不寫到真實顯卡上。
最後應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制， 本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等 同替換，而不脫離本發明技術方案的精神範圍，其均應涵蓋在本發明的權利 要求範圍當中。
權利要求
1.一種虛擬機系統，包括服務作業系統SOS、一個或多個客戶作業系統GOS、虛擬機監視器VMM和顯卡，其特徵在於所述VMM中設置有一資源轉換模塊，用於根據資源轉換錶轉換處於前臺的GOS的顯卡驅動模塊和顯卡之間交互的數據，並用於攔截處於後臺的GOS對真實顯卡的訪問後響應其對顯卡的操作；所述VMM中還設置有一切換模塊，用於根據切換VM的命令更改相應VM的狀態，並保存VM切換為後臺前的顯卡狀態，並在所述VM重新切換為前臺時將保存的顯卡狀態恢復到顯卡；所述客戶作業系統包括一對應於真實顯卡的顯卡驅動模塊，用於訪問真實顯卡。
2. 根據權利要求1所述的虛擬機系統，其特徵在於，所述資源轉換模塊 還用於根據處於後臺的VM對顯卡的操作相應修改所述切換模塊中保存的顯 卡狀態數據。
3. 根據權利要求2所述的虛擬機系統，其特徵在於，所述資源轉換模塊 還用於拋棄處於後臺的VM對顯卡的操作中不影響顯卡狀態寄存器的操作。
4. 根據權利要求l、 2或3所述的虛擬機系統，其特徵在於，所述VMM 還包括通信模塊，用於服務作業系統、客戶作業系統、VMM三者之間的通信。
5. 根據權利要求1、 2或3所述的虛擬機系統，其特徵在於，所述服務 作業系統包括設備模型DM，用於為GOS提供虛擬的PCI總線或PCI—E總線，並用 於在接收到VMM轉發的GOS掃描PCI總線的操作後，從真實顯卡的PCI 配置空間讀取真實顯卡的信息，並給GOS註冊包含真實顯卡信息的PCI設備 或PCI—E設備。
6. 根據權利要求1、 2或3所述的虛擬機系統，其特徵在於，所述資源 轉換表保存在VMM的空間中，或保存在GOS虛擬機的上下文環境中。
7. 根據權利要求6所述的虛擬機系統，其特徵在於，所述資源轉換表具體包括虛擬機號，設備號，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中斷號， MachineIO段，MachineMMIO段，Machine中斷號。
8. —種虛擬機系統的顯卡使用方法，其特徵在於，VMM中的資源轉換模塊根據資源轉換錶轉換處於前臺的GOS的顯卡驅動模塊和顯卡之間交互的數據，同時攔截處於後臺的GOS對真實顯卡的訪問 後響應其對顯卡的操作；VMM中的切換模塊根據切換VM的命令更改相應VM的狀態，並保存 VM切換為後臺前的顯卡狀態，並在所述VM重新切換為前臺時將保存的顯 卡狀態恢復到顯卡；所述客戶作業系統包括一對應於真實顯卡的顯卡驅動模塊。
9. 根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述資源轉換模塊還根據 處於後臺的VM對顯卡的操作相應修改所述切換模塊中保存的顯卡狀態數 據。
10. 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，切換模塊通過調用 標準BIOS，執行VGA BIOS,或直接對顯卡進行操作把要切換到後臺的前臺 GOS的顯卡狀態保存在該GOS的顯卡狀態數據裡，並把要切換到前臺的後 臺GOS的顯卡狀態數據恢復到真實顯卡來執行切換。
11. 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，GOS處於前臺還是 後臺通過為GOS所在的VM設置的指定其處於前臺還是後臺的標識來判斷。
12. 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，所述資源轉換表保 存在VMM的空間中，或保存在GOS虛擬機的上下文環境中。
13. 根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於，所述資源轉換表具 體包括虛擬機號，設備號，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中斷號， MachineIO段，MachineMMIO段，Machine中斷號。
全文摘要
本發明公開了一種虛擬機系統及其顯卡使用方法，其中該虛擬機系統的VMM中設置有一資源轉換模塊，用於根據資源轉換錶轉換處於前臺的GOS的顯卡驅動模塊和顯卡之間交互的數據，並用於攔截處於後臺的GOS對顯卡的訪問後響應其對顯卡的操作；所述VMM中還設置有一切換模塊，用於根據切換VM的命令更改相應VM的狀態，並保存VM切換為後臺前的顯卡狀態，並在所述VM重新切換為前臺時將保存的顯卡狀態恢復到顯卡；所述客戶作業系統包括一對應於真實顯卡的顯卡驅動模塊，用於訪問真實顯卡。本發明的系統和方法既能使GOS訪問真實顯卡，也可以在多個虛擬機之間切換顯示。
文檔編號G06F9/455GK101187880SQ20061014655
公開日2008年5月28日 申請日期2006年11月15日 優先權日2006年11月15日
發明者劉春梅, 劉永鋒, 軍 陳 申請人:聯想(北京)有限公司