CN101149688A

CN101149688A - 虚拟化系统、内存管理方法及控制程序

Info

Publication number: CN101149688A
Application number: CNA2007101534542A
Authority: CN
Inventors: 盐田宪行; 志田春夫; 博尔玛阿兰
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: CN101149688B; EP1956490A2; EP1956490A3; US20080091891A1; JP2008077144A

Abstract

一种系统，用以提高在启动多个执行同一种OS的区域的情况下的内存使用效率。即当OS310访问未尚被载入的OS的页313时(S601)，发生页无效异常。此时，虚拟机管理器将分配1个页的物理内存领域，并将程序载入其中(S602)。当OS的数据被从辅助存储器读入物理内存410后，虚拟机管理器便重写页表(S603)。此后，当别的OS320访问相同的页时，不再向物理内存410内载入，而是将已被载入完毕的页框和该OS的页之间的对应关系重写到页表中去。

Description

虚拟化系统、内存管理方法及控制程序

技术领域

本发明涉及多功能复合机及打印机等的嵌入机器，特别是嵌入机器中的虚拟化技术。

背景技术

在最近的办事室环境中，为了节省费用和专用空间，集复印功能、传真功能、打印功能等为一体的多功能型复合机被广泛使用。

以前，这种多功能复合机是在一个操作系统上配置软件系统，从而让各种应用程序在此环境中运行。然而，近年，随着对多功能复合机功能要求的增加，影响应用程序的功能也在增加。因此，欲追加某个功能时，需要取得多个应用程序间的协调，从而产生了开发效率恶化的问题。

另一方面，在同一台硬件平台上，使用被称为虚拟机管理器(Hypervisor)的虚拟化机制构筑多个相互独立的虚拟机(称为区域)，让多个OS(操作系统)并行运行的虚拟化技术，最近在服务器管理领域受到关注。利用该虚拟化技术，通过在1台硬件资源上安装多个服务器功能，可以期待实现硬件资源的有效利用和占有空间及电力消耗的降低。

在这种虚拟化技术中，由于各区域(虚拟机)相互独立，所以将虚拟化技术应用在多功能复合机上，可以别的区域追加解决方案，从而可以独立于主系统进行开发。同时由于与主系统间的接口被明确划分开来，所以新的开发基本不影响主系统。另外，由于在解决方案的开发过程中内部所发生的问题，不影响别的区域(主系统等)，从这一点上讲也可以提高开发效率。

不过，目前的虚拟化技术中使用的虚拟机管理器，若在一台硬件上构筑多个区域时，为了使各区域间相互隔离不发生影响，各区域都是相互独立的，所以即使多个区域使用同样的OS的情况，在各个区域中也分别需要相同OS的映象。一般来讲，OS多是以最初被载入到内存内为前提开发出来的，所以物理内存上必须有相当于启动同一个OS的区域个数的OS装载空间。也就是说，在物理内存上，有多个相同OS的映象存在，这对于内存量受到限制的嵌入式机器来说是一个问题。不过，在各个区域使用不同OS的情况，不会发生这种内存上的浪费。

此外，在特开2002-41306号公报中，公开了对在多个逻辑区域中运行的OS影像提供控制台和操作面板的虚拟复制件的虚拟机管理器。

还有，在特开2003-125122号公报中，公开了关于读出装置、记录装置、存储装置及网络通讯装置等的各种资源和让使用这些资源的打印，复印，传真等的各种处理独立进行的多个应用程序之间，通过由通用OS和共通系统服务构成的平台，执行向各应用程序分配各处理所需资源等的共通处理的复合机器。

还有，在特开2006-507561号公报中，公开了一个通过将逻辑上划分的所有的平台硬件资源虚拟化，从而包含一个能让多个相互独立的OS映象同时运行的虚拟机管理器，动态地进行处理器的中断和中断解除的数据处理系统。

本发明的目的，在于提高在启动多个执行同一种OS的区域的情况下的内存使用效率。

发明内容

本发明的目的可以用以下技术方案来达成。

1.一种虚拟化系统，具有在同一台计算机上可以同时让多个区域运行的虚拟机管理器，并且同一个OS(操作系统)可在多个区域内运行，所述虚拟机管理器包括

页表设定机构，其在上述的同一个OS运行下的多个区域中，当OS被配置的地址被访问，且该地址所对应的页尚未被载入时，将页表设定为发生页无效异常。

页表设定机构，其当上述页无效异常发生时，如果该OS的页不在物理内存(即实际内存)上，则从辅助存储器上调入该OS的页，并在页表中把该页设定为只读。

页表设定机构，其当上述页无效异常发生时，如果该OS的页已经存在于物理内存上，则在页表中把该页设定为只读。

2.根据上述1的虚拟化系统，其中虚拟机管理器还进一步具有以下机构：即在上述的同一个OS运行下的区域之一内，当对于OS的可写入区域的写入要求发生的情况，如果由于该页此时的页表被设定为只读，而发生写入保护异常时，则将该页复写到另外分配的物理内存区域，并在页表中把该页设定为可写。

3.安装有上述1或2的的虚拟系统的多功能复合机。

4.一种在具有可以在同一台计算机上让多个区域同时运行的虚拟机管理器，并且可在多个区域内同一个OS(操作系统)运行的虚拟系统中的内存管理方法，其中所述虚拟机管理器进行步骤：

在所述同一个OS运行的多个区域中，当OS被配置的地址被访问，且该地址所对应的页尚未被载入时，将页表设定为发生页无效异常。

当所述页无效异常发生时，如果该OS的页不在物理内存上，则从辅助存储器上调入该OS的页，并在页表中把该页设定为只读。

当所述页无效异常发生时，如果该OS的页已经存在于物理内存上，则在页表中把该页设定为只读。

5.根据上述4的内存管理方法，其中虚拟机管理器还进一步实行以下步骤，即在上述的同一个OS运行下的区域之一内，当对于OS的可写入区域的写入要求发生的情况，如果由于该页此时的页表设定为只读，而发生写入保护异常时，则将该页复制到另外分配的物理内存区域，并在页表中把该页设定为可写。

6.在多功能复合机中使用的根据上述4或5的内存管理方法。

7.一种在一台计算机上同时让多个区域运行的计算机程序，其在同一个OS运行在多个区域中的场合，能使所述计算机执行以下功能：

在上述的同一个OS运行下的各区域中，当OS所配置的地址被访问，且该地址所对应的页尚未被载入时，则将页表设定为发生页无效异常。

当上述页无效异常发生时，如果该OS的页不在物理内存上，则从辅助存储器上调入该OS的页，并在页表中把该页设定为只读。

当上述页无效异常发生时，如果该OS的页已经存在于物理内存上，则在页表中把该页设定为只读。

8.根据上述7的控制程序，其还能进一步让计算机执行以下功能，即在所述的同一个OS运行的区域之一内，当对于OS的可写入区域的写入要求发生的场合，如果由于该页此时的页表设定为只读，而发生写入保护异常时，则将该页复制到另外分配的物理内存区域，并在页表中把该页设定为可写。

9.根据上述7或8的控制程序，其被在多功能复合机中执行。

附图说明

图1是表示使用虚拟机管理器的虚拟系统的软件配置的实施例的图。

图2是表示新区域作成处理的实施例的图。

图3是表示从图2所示的状态再作成新区域时处理的实施例的图。

图4是表示新作成的区域内OS启动后的处理的执行态的实施例的图。

图5是表示第一区域的OS 310和第二区域的OS 320为相同的OS时，各OS310以及320的页与该页被载入的物理内存410之间关系的图。

图6是表示当第一区域的OS 310访问尚未被载入的页的场合的处理的实施例的图。

图7是表示对于多个OS间的共享页进行写入访问时的处理的实施例的图。

图8是使用虚拟机管理器时的地址转换处理的实施例的图。

图9是表示页表的更新处理的实施例的图。

具体实施方式

以下，参照图表对本实施方式进行说明。

图1表示使用虚拟机管理器的虚拟化系统中的软件的组成的实施例。本系统，譬如，被安装在多功能复合机上，并且，安装了本系统多功能复合机，具有譬如CPU、内存等的主存储器、硬磁盘等的辅助存储器、输入单元、显示装置等。

【0019】

如图1所示，本实施方式的虚拟化系统100，具有虚拟机管理器110、控制区域120和多个区域130～150。

虚拟机管理器110是将硬件虚拟化为多个区域的模块。它把OS和在其上面运行的应用程序作为一个区域处理，对各区域提供以虚拟机的形式认识实际计算机硬件的功能，从而能够在1个实际的计算机上让多个区域同时运行。

控制区域120，是最先由虚拟机管理器110起动的区域，它在1个虚拟机上运行。在控制区域120中，在该虚拟机上运行的OS被起动，然后在该OS上控制程序被执行。

多个区域130～150是由控制区域120根据需要而生成的区域，各区域130，140，150分别运行在各自不同的虚拟机上。

如上所述，看上去，对应于一个区域就有一个虚拟机在运行，这就是虚拟机管理器110的作用。

以下，对在虚拟化系统100中生成新区域的处理进行说明。

图2表示生成新区域处理的实施例。

如该图所示，虚拟机管理器210起动时首先作成的控制区域220，控制区域OS221在其上运行。控制区域OS 221执行控制程序222，并根据需要生成新的区域。

生成新区域时，控制程序222通过控制区域OS 221把生成新区域的要求传递给虚拟机管理器210中的新区域作成处理块211(S201)。收到该新区域作成要求的新区域作成处理块211，执行新区域作成处理从而生成区域230(S202)。

在新作成的区域230中，例如，被指定执行这个区域的专用OS-A231，新区域作成处理块211，将OS-A231载入到新区域230专用的内存区间，在新区域230中执行OS-A231。

图3表示从图2所示的状态，再进一步生成新的区域的处理的实施例。

在该例中，基本上与图2中所介绍的处理同样，来生成新区域240。即控制程序222，通过控制区域OS 221把生成新区域的要求传递给虚拟机管理器210中的新区域作成处理部211(S201)。收到该新区域作成要求的新区域作成处理部211，执行新区域作成处理从而生成区域240(S202)。将OS-A241载入到新区域240专用的内存区间，在新区域240中执行OS-A241。

图4表示在新作成的区域内，OS启动之后的处理的实施例。

新区域230内的OS-A231启动后，便执行规定的过程(任务)。在图4所示的例子中，执行应用程序过程233和应用程序的执行时必需的中件232(S401)。在新区域240中也进行同样的处理，根据该区域所要处理的内容，分别执行必要的程序242，243(S402)。

在图4所示的状态，虽然在新区域230和新区域240中是相同的OS-A在运行，但是只要虚拟机管理器210不参与OS的内存分配的话，OS-A将被分别载入到的内存中去。也就是说，在一个物理内存内，存在两个相同OS的复制物。

在本实施例中，在区域作成时，通过将该区域内起动的OS是相同的这种信息通知给虚拟机管理器210，以便使同样的OS只往内存中载入一个。并且，在OS起动时，不是把其全部内容，只把被访问的部分载入到内存。

下面，关于相同OS只往内存中载入一个；同时在OS起动时不是把其全部内容，只把被访问的部分载入到内存的处理过程进行说明。

虚拟机管理器，在OS起动时不把OS的内容载入到内存中，而是管理OS应该被载入到的区域的地址，在区域专用页表中将该地址的对应项(エントリ)设为无效状态。同时，虚拟机管理器预先记忆好辅助存储器(譬如，硬盘驱动器)上的OS的位置，以便将OS的任意偏移量的数据从辅助存储器上载入到内存中。

在此状态，若从开始地址执行区域内的OS，在OS的开始位置被访问之时，将会导致页无效异常发生。

当虚拟机管理器一查出该页无效异常，便分配新的物理内存领域，将该页从辅助存储器上读取到物理内存。并重新设定页表，将该当页映射到区域内所定的地址。然后，将控制从异常处理返回原来的处理，从而该页的命令能够被执行下去。

虚拟机管理器管理OS的哪个页，应该载入到物理内存的哪个位置。并且，当别的区域的相同OS中发生页无效异常时，虚拟机管理器将检查该页是否已被载入到内存上，对于已被载入在内存上的OS的页，将重新设定页表，以便在使用相同OS的多个区域间共享这个页。

图5表示进行这种处理后的状态。即显示了第一区域的OS 310和第二区域的OS 320相同的情况下，构成OS的各页310，320与该页被载入的物理内存410之间的关系。

如该图所示，OS 310具有文本部分311和数据部分312。文本部分311是OS不能写入的部分，数据部分312是OS可写入的部分。同样，OS 320也具有不能写入的文本部分321和可写入的数据部分322。

同时，物理内存410被分割成具有与页同样大小的多个区间(页框)，构成OS的各个页被载入到页框。构成OS的页和该页被载入的页框之间的对应关系由页表管理。另外，在页表中还管理每个页是只读专用还是可写入等的的属性信息。

该图所示的物理内存410中，带斜线的部分表示正在使用的物理内存区间(页框)，不带斜线的部分表示未使用的物理内存区间(页框)。

此外，从各OS 310，320向物理内存410延伸的箭头，表示构成各OS 310，320的页和物理内存410的页框的对应关系。构成各OS 310，320的页，譬如，OS 310或320之一首先由最初的读入要求被载入到物理内存410上，该页和该页被载入的页框间的对应关系被设定在页表里。此后，对于同一个页，当从另一个OS发生读取要求的时候，不再向物理内存410上载入，只是在页表里设定已载入完毕的页框和另一个OS的页之间的对应关系。

如该图所示，OS 310和320双方都访问的页，对应于相同的的物理内存区间(页框)。

图6表示，在图5所示的状态中，第一区域的OS 310对未载入的页进行访问时的处理的实施例。

当OS 310对未被载入的OS的页313进行访问时(S601)，将发生页无效异常。对此，虚拟机管理器分配1个页的物理内存空间，把程序载入到其中(S602)。当OS的数据从辅助存储器被读入物理内存410时，虚拟机管理器将重新设定页表(S603)。即，将OS 310的该当页和物理内存410的该当页框的对应关系设定在页表中。此时，在页表里同时把该页的属性信息设定为只读。此后，通过从异常处理返回，从而使对OS 310的该页的访问成功。

通过以上处理，区域起动时，即时不预先将OS载入到内存上，在OS的运行过程中，根据需要，能够从辅助存储器上将必要的页载入到物理内存。

这个处理，可以看作是通常的OS和过程之间所采用的请求调页(DemandPaging)处理在虚拟机管理器和区域内OS之间的应用。

图7表示对于在多个OS间的共享页进行写入场合的处理实施例。

如该图所示，当第二区域的OS 320试图向与第一区域的OS 310共享物理内存区间(页框)411的数据部分的页323写入时(S701)，由于页表上最初为只读专用，所以发生写入保护异常。虚拟机管理器收到这个异常后，便分配新页框，并把试图写入的页323的内容(即页框411的内容)复制到新分配的页框412中(S702)。同时，更新页表以便反映该处理的结果(S703)。即，把OS 320要写入的页323和新分配的物理内存41的页框412之间的对应关系设定在页表中。此时，在页表里同时把该页的属性信息设定为可写入。此后，通过从异常处理返回，从而使第二区域OS 320中的数据部分的重写成功。

如上所述，由于数据在重写之前对进行了复制，从第一区域的OS 310，对于同一个部分仍然看到的是在被重写之前数据。

这个处理，可以看作是通常的OS和过程之间采用的写时复制(Copy-On-Write)在虚拟机管理器和区域内的OS之间的应用。

在通常的OS和过程之间进行的请求调页及写时复制处理，是通过OS操作中央处理器(内存管理单元)的页表来实现的。不过，在虚拟机管理器和区域内OS间进行的处理，由于区域内的OS分别具有各自的虚拟页表，因此需要不同的处理。

图8表示采用虚拟机管理器时的地址变化处理的实施例。

在区域内的OS上执行的过程使用虚拟地址，该虚地址由控制该过程的OS变化为区域地址。在不使用区域的通常的OS的情况，物理地址和虚地址的映象是被设定在CPU的页表中的，但在区域内的OS的情况，不使用物理地址，而是使用区域地址(虚拟机上的物理地址)，来处理表示该区域地址和虚地址间映象的虚拟的页表(虚拟机上的页表)。

虚拟机管理器，既管理各区域的区域地址和物理地址间的对应关系，也通过参照区域内OS作成的虚拟页表，管理区域地址和虚地址间的关系。通过对这些信息的处理，最终将各区域的虚地址和物理地址的对应关系设定到CPU的页表中。

图9表示页表更新处理的实施例。

虽然区域内的OS为了设定虚地址和区域地址的对应关系而更新页表，但这个处理并不是直接重写实际的页表，而是通过进行页表重写请求的超调请求(从区域向虚拟机管理器的服务请求)来完成的。由此，虚拟机管理器能够知道该区域上的虚拟地址和区域地址时间的对应关系。虚拟机管理器对所有的区域的该对应关系进行管理，根据目前正在执行的区域信息，对表示虚地址和物理地址间对应关系的实际CPU的页表进行更新处理。

如上所述，根据本实施例，即使启动多个执行相同OS的区域的情况，在OS启动时，也不需要把OS的全部数据都载入内存之上。并且，直到OS重写数据之前，多个区域可以共享同一个OS的数据，所以即使使用虚拟机管理器在多个区域中起动同样的OS的情况，也可以在比通常更少的内存条件下运行。

以上，通过实施例对本发明进行了说明，但是本发明可应用于多功能复合机等的嵌入式机器，以及其他内存比较少的机器。另外，本发明并不局限于附图中所示的实施例，还包括其他的实施例，可以追加，变更，删除等，能够在本领域的技术人员所想到的范围内进行变更。不管什么形态，只要具有本发明的作用和效果，都包含在本发明的范围之内。

Claims

页表设定机构，其在所述的同一个OS运行的多个区域中，当OS被配置的地址被访问，且该地址所对应的页尚未被载入时，将页表设定为发生页无效异常。

页表设定机构，其当所述页无效异常发生时，如果该OS的页不在物理内存上，则从辅助存储器上调入该OS的页，并在页表中把该页设定为只读。

页表设定机构，其当所述页无效异常发生时，如果该OS的页已经存在于物理内存上，则在页表中把该页设定为只读。

2.根据权利要求1的虚拟化系统，其中虚拟机管理器还进一步具有以下机构：

即在所述的同一个OS运行的区域之一内，当对于OS的可写入区域的写入要求发生的场合，如果由于该页此时的页表被设定为只读，而发生写入保护异常时，则将该页复写到另外分配的物理内存区域，并在页表中把该页设定为可写。

3.安装有权利要求1或2的的虚拟系统的多功能复合机。

4.一种在具有可以在同一台计算机上让多个区域同时运行的虚拟机管理器，并且可在多个区域内同一个OS(操作系统)运行的虚拟系统的内存管理方法，其中所述虚拟机管理器进行如下步骤：

5.根据权利要求4的内存管理方法，其中虚拟机管理器还进一步实行以下步骤，即在上述的同一个OS运行的区域之一内，当对于OS的可写入区域的写入要求发生的情况，如果由于该页此时的页表设定为只读，而发生写入保护异常时，则将该页复制到另外分配的物理内存区域，并在页表中把该页设定为可写。

6.在多功能复合机中使用的根据权利要求4或5的内存管理方法。

在上述的同一个OS运行的各区域中，当OS所配置的地址被访问，且该地址所对应的页尚未被载入时，则将页表设定为发生页无效异常。

8.根据权利要求7的控制程序，其还能进一步让计算机执行以下功能，即在所述的同一个OS运行的区域之一内，当对于OS的可写入区域的写入要求发生的场合，如果由于该页此时的页表设定为只读，而发生写入保护异常时，则将该页复制到另外分配的物理内存区域，并在页表中把该页设定为可写。

9.根据权利要求7或8的控制程序，其被在多功能复合机中执行。