CN100428164C

CN100428164C - 一种虚拟机系统及其设备访问方法

Info

Publication number: CN100428164C
Application number: CNB2006100019855A
Authority: CN
Inventors: 刘建成
Original assignee: Lenovo Beijing Ltd
Current assignee: Lenovo Beijing Ltd
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: CN101008903A

Abstract

本发明提供了一种虚拟机系统及其设备访问方法，所述虚拟机系统包括至少一客户操作系统、虚拟机监视器以及硬件设备，其中，每一客户操作系统中运行有一前端驱动，用于接收来自设备访问者的设备访问数据并将所接收的数据传送至虚拟机监视器，以及用于接收来自虚拟机监视器的数据并将数据传送给设备访问者；虚拟机监视器中运行有至少一后端驱动，用于利用预定的对应关系根据所接收到的设备访问数据对硬件设备进行访问，以及用于接收来自硬件设备的数据并根据预定对应关系将数据传送给相应的客户操作系统。本发明的虚拟机系统避免了不必要的开销，节约了系统资源，进而提高的系统的运行效率。

Description

一种虚拟机系统及其设备访问方法

技术领域

本发明涉及一种虚拟机技术，尤其涉及一种虚拟机系统及其设备访问方法。

背景技术

随着计算机系统的发展，虚拟化技术在计算机领域也得到广泛应用。现代计算机已经具有能力来利用虚拟化技术支持多个虚拟机，并在每个虚拟机上各自运行单独的操作系统。但是在个人计算机中应用虚拟化技术还存在一些问题，其中主要问题是运行效率问题，特别是对外部硬件设备的访问效率问题。因此，如何提高虚拟机系统，尤其是虚拟Windows系统对硬件设备的访问效率是虚拟机系统应用在个人计算中最迫切需要解决的问题。

目前，提高虚拟机系统对硬件设备的访问效率比较有效的方法是，针对具体的虚拟机系统定制开发设备专用的前后端驱动程序。目前主要存在两种虚拟机系统，第一种是以Xen为代表的虚拟机系统，第二种是以VMWare为代表的虚拟机系统。两种虚拟机系统的最大区别在于，以Xen为代表的虚拟机系统直接对真实硬件进行操作，即Xen是直接运行在硬件层之上，而以VMware为代表的虚拟机系统并不直接对真实硬件进行操作，它必须寄生于一个操作系统，诸如在VMWare中称之为主机操作系统(Host OS)。为了提高虚拟机系统对硬件设备的访问效率问题，这两种类型的虚拟机系统都采用了前端后端驱动类似的技术手段。然而，前端后端驱动方式依然存在一些问题。

首先，现有技术中的后端驱动都需要依赖一个操作系统，在Xen中依赖于伺服操作系统(Service OS，SOS)，即domain 0，而在VMWare中是依赖于主机操作系统(Host OS)，这使得虚拟机增加了额外的开销，并因此增加了许多系统开销，诸如系统调度、内存管理等，这都使得系统的运行效率降低。

此外，现有技术中前端驱动和后端驱动一-一对应，即系统中存在几个客户操作系统，就需要运行几个前端驱动，同时在系统内存也必须保持相应数目的后端驱动，而这些后端驱动除了少量关键处理例程不同外，绝大部分处理例程是一样的，这就造成了系统资源的极大浪费，进一步影响了系统的运行效率。因此，现有技术中采用前后端驱动方式的虚拟机系统的运行效率仍不理想，并且也很难使得虚拟机系统得以简化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟机系统，以减少一些不必要的额外开销，进而提高虚拟机系统的运行效率。

本发明的另一目的在于提供了一种在上述虚拟机系统中执行的设备访问方法。

本发明提供的虚拟机系统包括至少一客户操作系统、虚拟机监视器以及硬件设备，其中，每一客户操作系统中运行有一前端驱动，用于接收来自设备访问者的设备访问数据并将所接收的数据传送至虚拟机监视器，以及用于接收来自虚拟机监视器的数据并将数据传送给设备访问者；虚拟机监视器中运行有至少一后端驱动，用于利用预定的对应关系根据所接收到的设备访问数据对硬件设备进行访问，以及用于接收来自硬件设备的数据并根据预定对应关系将数据传送给相应的客户操作系统。

在本发明的虚拟机系统中，所有运行在每一客户操作系统中的前端驱动仅对应一个运行在所述虚拟机监视器中的后端驱动。

在本发明的虚拟机系统中，所述的预定的对应关系是基于数据本身特征来区分不同前端驱动的一种对应关系。

本发明还提供了一种在前述虚拟机系统中执行的设备访问方法，包括以下步骤：

步骤一，客户操作系统中的前端驱动接收来自设备访问者的数据，并将所述数据传送给虚拟机监视器中的后端驱动；

步骤二，所述后端驱动获取所述前端驱动传来的数据，并根据所获取的数据直接对硬件进行操作。

本发明所提供的的设备访问方法，进一步包括以下步骤：

步骤三，所述后端驱动接收来自硬件设备的数据，并将根据预定的对应关系将该数据传送至所述前端驱动，

步骤四，所述前端驱动接收所述后端驱动传送来的数据，并将数据传送给设备访问者。

在本发明的设备访问方法中，所有运行在每个客户操作系统中的前端驱动仅对应一个运行在所述虚拟机控制系统中的后端驱动。

在本发明的设备访问方法中，所述的预定的对应关系是基于数据本身特征来区分不同前端驱动的一种对应关系。

与现有技术相比，根据本发明的虚拟机系统和方法，可以使后端驱动进一步简化，成为只具备初始化、数据发送和数据接收等涉及硬件操作例程的精简的后端驱动(或称为系统调用接口)。另外，本发明的虚拟机系统的设备访问不再需要依赖于任何伺服操作系统(SOS)或主机操作系统(Host OS)，并且省略了现有技术中与伺服操作系统或主机操作系统的交互过程，使得处理流程简化并避免了系统的一些并不必要开销，从而提高了虚拟机系统的运行效率。此外，采用多一个前端驱动对应一个后端驱动的方式，节约了系统资源，简化了处理流程，进一步提高了系统的运行效率。

附图说明

下面将参考附图结合实施例对本发明进行详细描述，其中：

图1所示为现有技术虚拟机系统的结构示意图；

图2所示为本发明第一实施例的虚拟机系统的结构示意图；

图3所示为本发明设备访问方法的数据传输过程的流程图；

图4所示为本发明设备访问方法的数据传输过程的流程图；

图5所示为本发明第二实施例的虚拟机系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的内容，将首先对现有技术的虚拟机系统进行描述。图1所示出的是以Xen为代表的虚拟机系统的框架。该虚拟机系统主要包括：客户操作系统、伺服操作系统、虚拟机监视器(VMM)和硬件设备。

其中，每个客户操作系统中运行着多个应用程序(APP1、APP2等)以及一个前端驱动(前端驱动1、前端驱动2等)，服务器操作系统中，运行着多个与前端驱动一一对应的后端驱动(后端驱动1、后端驱动2等)，虚拟机监视器位于硬件和操作系统之间，直接运行在硬件之上。由于各个操作系统之间彼此隔离，因此数据传输必须经过虚拟机监视器。

在系统启动时，系统首先引导虚拟机监视器，在引导时将创建伺服操作系统(例如在Xen中为Domain 0)，伺服操作系统与客户操作系统相比具有较高的权限，在虚拟机系统中承担着重要的作用，其中相当一部分是为客户操作系统访问硬件设备提供相关支持。

下面将以其中一个客户操作系统(例如客户操作系统1)为例描述图1中所示的虚拟机系统访问硬件设备的过程。

当客户操作系统1中的设备访问者，诸如应用程序APP1、APP2或者用户操作需要访问硬件设备时，诸如需要访问网卡发送网络数据时，前端驱动1将会接收到来自设备访问者的设备访问数据。需要注意的是，本说明书中所讲的数据是指代表操作指令的数据和/或单纯数据。然后，前端驱动1将所接收到的设备访问数据通过VMCall指令(虚拟机监视器从客户操作系统的None-Root运行模式陷入虚拟机监视器的Root运行模式的CPU指令)，并使用寄存器或者共享内存将数据传送给虚拟机监视器。

虚拟机监视器根据前端驱动1与后端驱动1之间的对应关系通过主动通知方式(例如中断注入)或等待查询方式(例如，后端驱动定时查询或实时查询)告知伺服操作系统SOS的后端驱动1需要对硬件设备进行访问，诸如要对网卡进行访问。

伺服操作系统SOS的后端驱动1得知有设备访问需求后，到存储设备访问数据的寄存器或者共享内存中获取设备访问数据。并且，在获取数据之后，后端驱动1通过虚拟机监视器提供的设备调用接口对设备进行访问。对于单向设备访问过程，即不需要返回数据的设备访问，数据传输过程到此已经结束。然而，对于双向设备访问的过程，即要求返回数据的设备访问过程，还需要数据回传过程，即需要将返回的数据经过后端驱动传送至前端驱动进而返回给设备访问者。

接着将介绍在设备访问数据为双向数据的情况下，数据回传的过程。

硬件设备准备好数据之后，向系统发送中断信号，虚拟机监视器接收到中断信号并对中断信号进行判断，判断该中断是否是属于虚拟机监视器的中断，如果不是，则通过中断注入方式将此中断信号转发给伺服操作系统，位于伺服操作系统中的后端驱动1会处理此中断，并在中断处理进程中接收硬件设备已经准备好数据。此外，硬件设备准备好数据之后，也可以在后端驱动1通过虚拟机监视器进行主动查询时，将数据传送给后端驱动1。

后端驱动1从真实物理硬件获取数据之后，使用HyperCall(虚拟机监视器从伺服操作系统的Root-3运行模式陷入虚拟机监视器的Root-0运行模式的系统调用接口)通过寄存器或者共享内存将数据传送给虚拟机监视器。

接着，虚拟机监视器根据前端驱动与后端驱动之间的对应关系找出后端驱动1所对应的客户操作系统1以及前端驱动1。然后，虚拟机监视器通过中断注入方式向客户操作系统发送中断信号，位于客户操作系统中的前端驱动1将处理此中断，并在中断处理进程中通过寄存器或者共享内存获取数据。当然，也可以在前端驱动1通过虚拟机监视器VMCall主动查询时，将数据传送给前端驱动1。最终，前端驱动1将收到的数据传送给上层驱动或应用程序。

图1中所示的虚拟机系统，在客户操作系统访问硬件设备的过程以及从硬件设备返回数据至客户操作系统的过程中，须依赖于一个操作系统，因此增加了许多额外的处理流程，并且诸如中断、共享内存等方式的运行效率也相对较低，因此现有技术的这种虚拟机系统不但存在一些不必要的开销，而且也使得系统的运行效率降低。

下面，将参考图2至图5介绍本发明的虚拟机系统。

图2示出了本发明虚拟机系统的第一实施例。图2所示的虚拟机系统包括客户操作系统(客户操作系统1，客户操作系统2)、虚拟机监视器和硬件设备。

其中，在每个客户操作系统中分别运行着一个前端驱动(前端驱动1，前端驱动2)，而在虚拟机监视器中运行着与各个客户操作系统中的前端驱动相对应的后端驱动(后端驱动1，后端驱动2)。与现有技术的虚拟机系统的不同的是，后端驱动运行在虚拟机监视器中，而不是运行在伺服操作系统中，这样就可以简化现有的虚拟机系统结构。

下面将参考图3和图4并以图2中的一个客户操作系统(例如客户操作系统1)为例，说明根据本发明的虚拟机系统的数据传输过程。

图3示出了根据本发明设备访问方法进行数据传输的流程图。参看图3，首先，当客户操作系统1中的设备访问者，诸如应用程序APP1、APP2或者用户操作需要访问硬件设备时，前端驱动1将会接收到来自设备访问者的设备访问数据，之后前端驱动1通过前端和后端之间的数据通道，将所接收到的设备访问数据传送给后端驱动，诸如，可以通过VMCall并使用寄存器或者共享内存将数据传送给虚拟机监视器。

虚拟机监视器根据前端驱动和后端驱动之间的对应关系，使与前端驱动1对应的后端驱动1通过寄存器或者共享内存获得设备访问数据。然后，后端驱动1直接对硬件设备进行操作，如果设备访问操作失败，则进行出错处理，诸如进行操作超时处理等。

上面所述的是访问数据从虚拟机系统经前端驱动向后端驱动传送的过程。然而，对于双向设备访问数据，还需要数据回传过程，即数据从硬件设备至客户操作系统的数据传输。

接着，将参考图4描述数据从硬件设备经后端驱动向前端驱动传输的过程。

图4示出了根据本发明设备访问方法从硬件设备至客户操作系统传输数据的流程图。当后端驱动1所访问的硬件设备准备好需要返回的数据之后，向系统发送中断信号，运行在虚拟机监视器中的后端驱动1将对该中断进行处理，并在中断处理进程中接收硬件已经准备好的数据。应当注意的是，硬件设备准备好数据之后，也可在后端驱动1通过虚拟机监视器进行主动查询时，将数据传送给后端驱动1。

然后，虚拟机监视器根据前端驱动与后端驱动之间的对应关系，通过数据通道将数据传送给前端驱动1。例如，虚拟机监视器可以通过中断注入方式向客户操作系统发送中断信号，位于客户操作系统中的前端驱动1处理此中断，并在中断处理进程中通过寄存器或者共享内存获取数据，当然，也可在前端驱动1通过虚拟机监视器VMCall主动查询时，将数据传送给前端驱动1。

最后，前端驱动1将所得到的数据送给上层驱动或是应用程序，如果操作成功，则数据数据传输过程结束，如果操作失败则进行出错处理。

根据本发明的虚拟机系统，后端驱动不需要依赖于任何操作系统，并且由于后端驱动位于虚拟机监视器中并可直接对真实物理硬件进行操作，因此省略了现有技术中虚拟机监视器与伺服操作系统或主机操作系统的交互过程，使得处理流程简化并避免了系统的一些并不必要开销，从而提高了虚拟机系统的运行效率。

下面将参考图5介绍本发明虚拟机系统的第二实施例。

图5示出了本发明虚拟机系统的第二实施例。图5所示的虚拟系统包括客户操作系统(客户操作系统1，客户操作系统2)、虚拟机监视器和硬件设备。其中，在每个客户操作系统中运行着一个前端驱动(前端驱动1，前端驱动2)，而在虚拟机监视器中仅运行了一个后端驱动。

图5所示的虚拟机系统与图2所示的虚拟机系统结构基本相同，但是二者区别在于，本实施例在虚拟机监视器中运行了一个后端驱动。事实上，在现有技术中一对一的前端后端驱动方式中，后端驱动实际上只有细微的差别。以网卡为例，不同后端驱动接收数据处理进程时，可能只是需要根据不同的返回Mac地址或是IP地址将数据包返回到相应的前端驱动，而其它大部分处理，包括初始化、注册、PnP回调处理等进程都是完全相同的。由于一对一模式必须在系统内存中保持多个几乎相同的实例，因而造成了系统资源的浪费，为此，本实施例中的虚拟机系统采用了多对一的前端后端驱动方式，通过基于数据的对应关系，识别后端驱动与前端驱动之间的对应关系。

现有技术中的对应关系是一套基于前端驱动与后端驱动之间的对应关系的识别体系，即以不同的后端驱动为标识，不同后端驱动对应不同的前端驱动。而本实施例中的对应关系可以是基于设备访问数据的本身特征进行识别的识别体系，即本实施例的标识体系是基于数据特征的。

以网卡为例，不同客户操作系统的MAC地址、IP地址或是端口是不同，可以根据这些不同对不同的前端驱动进行区分，而对于USB硬盘设备的访问，可以根据访问的路径、文件不同来识别不同的前端驱动，等等。现有技术中的对应关系以及这种基于数据特征的对应关系可以在系统引导时建立。

根据本发明第二实施例的虚拟机系统，利用基于数据特征的对应关系，在虚拟机监视器中只需运行一个后端驱动，减少了系统资源的占用，从而避免了系统资源的浪费，进一步提高了虚拟机系统的运行效率。

此外，根据本发明的虚拟机系统和设备访问方法，可以进一步简化后端驱动，使所述后端驱动只需负责必要的初始化(诸如资源分配和初始通讯通道建立等)、数据发送和数据接收，而其它的一般驱动的通用例程，例如，信息查询、交互例程等不涉及与硬件通信的例程，可以只在前端驱动实现，这样就可以减小后端驱动位于VMM中时，给VMM带来的负担。此外，由于本发明与现有技术的驱动的实现不同，是在虚拟机监视器中实现后端驱动功能的，因此，本发明不依赖于现有技术中伺服操作系统或者主机操作系统，从而，为简化现有的虚拟机系统提供了一种可能。

应当注意的是，这里描述的实施例都包括两个客户操作系统，这只是为了说明方便，事实上，本发明的虚拟机系统根据需要可以包含更多的客户操作系统。

此外，在并不偏离本发明的精神和范围的情况下，还有许多变型和替代，根据本发明的设备访问方法的构思采用其它本领域公知的方式诸如设备模块的方式(device module)也可以实现本发明的系统结构以及设备访问过程。

Claims

1.一种虚拟机系统，包括至少一客户操作系统、虚拟机监视器以及硬件设备，其中，

每一客户操作系统中运行有一前端驱动，用于接收来自设备访问者的设备访问数据并将所接收的数据传送至虚拟机监视器，以及用于接收来自虚拟机监视器的数据并将数据传送给设备访问者；

虚拟机监视器中运行有至少一后端驱动，用于利用预定的对应关系根据所接收到的设备访问数据对硬件设备进行访问，以及用于接收来自硬件设备的数据并根据预定对应关系将数据传送给相应的客户操作系统。

2.根据权利要求1所述的虚拟机系统，其中，所有运行在每一客户操作系统中的前端驱动仅对应一个运行在所述虚拟机监视器中的后端驱动。

3.根据权利要求1或2所述的虚拟机系统，其中所述的预定的对应关系是基于数据本身特征来区分不同前端驱动的一种对应关系。

4.一种在如权利要求1所述的虚拟机系统中执行的设备访问方法，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的设备访问方法，进一步包括以下步骤：

6.根据权利要求4或5所述的设备访问方法，其中，所有运行在每个客户操作系统中的前端驱动仅对应一个运行在所述虚拟机控制系统中的后端驱动。

7.根据权利要求5所述的设备访问方法，其中所述的预定的对应关系是基于数据本身特征来区分不同前端驱动的一种对应关系。