CN101187880A - 一种虚拟机系统及其显卡使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种虚拟机系统及其显卡使用方法，其中该虚拟机系统的VMM中设置有一资源转换模块，用于根据资源转换表转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，并用于拦截处于后台的GOS对显卡的访问后响应其对显卡的操作；所述VMM中还设置有一切换模块，用于根据切换VM的命令更改相应VM的状态，并保存VM切换为后台前的显卡状态，并在所述VM重新切换为前台时将保存的显卡状态恢复到显卡；所述客户操作系统包括一对应于真实显卡的显卡驱动模块，用于访问真实显卡。本发明的系统和方法既能使GOS访问真实显卡，也可以在多个虚拟机之间切换显示。

Description

一种虚拟机系统及其显卡使用方法

技术领域

本发明涉及计算机领域，特别是涉及一种虚拟机系统及其显卡使用方法。

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。

在虚拟机系统中，各操作系统都需要对硬件进行访问，其中对显卡的访问相对来说是一个比较复杂的问题，对显卡的不同使用方法是影响用户体验的一个重要因素。目前，VMWare及Virtual PC等主流虚拟化技术所采用的方案大同小异，都是为客户操作系统(GOS)提供一个虚拟化了的显卡。该虚拟显卡是一个通用的显卡，只能实现基本的显示功能，与真实的显卡差别很大。

图1为现有技术的虚拟机系统中显卡访问的示意图。该虚拟机系统包括虚拟机监视器(VMM)、服务操作系统(SOS)和至少一个GOS(图1中以1个GOS为例进行说明)。

SOS启动时，扫描PCI总线，发现真实显卡，获取真实显卡信息，为本系统分配真实显卡资源(IRQ、IO、MMIO)，SOS通过真实显卡的驱动模块对显卡进行访问。

SOS包含至少一个设备模型(DM)，每个DM对应一个GOS，为GOS提供一个虚拟显卡。GOS启动时，扫描PCI总线，其扫描操作被VMM拦截，并转发到DM里的虚拟PCI总线，DM给该GOS注册虚拟显卡。GOS发现虚拟显卡，获取虚拟显卡信息，为本GOS分配虚拟显卡资源(IRQ、IO、MMIO)，并保存在DM的虚拟显卡的PCI配置空间里，VMM从中获得虚拟显卡的资源范围(中断号，各个IO段，各个MMIO段)。GOS通过虚拟显卡的驱动模块访问虚拟显卡时，GOS在访问虚拟显卡时候，其对虚拟显卡的访问操作(IO，MMIO)被VMM拦截，VMM将访问数据发送到DM；DM对访问数据进行转换后，发送到真实显卡的驱动模块；真实显卡的驱动模块对接收到的数据进行处理后发送到显卡。

该虚拟机系统包括一个或多个GOS，各个GOS操作系统都是通过SOS访问显卡。所以，除了SOS可以看到真实显卡，并利用真实显卡的驱动模块访问显卡外，每个GOS看到的都是由DM提供的虚拟显卡，并利用虚拟显卡的驱动模块对显卡进行访问，这样，虚拟机系统的显示是通过SOS来显示的，不具备2D，3D等加速特性，显卡的硬件加速特性无法被用户使用，甚至不支持3D动画的功能，影响了显示性能。此外各GOS在显示时候，需用在GOS，SOS的DM，SOS的真实显卡的驱动模块，VMM之间来回传递数据和切换环境，使整个系统的效率降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟机系统及其显卡使用方法，其能使GOS访问真实显卡的同时可以在多个虚拟机之间切换显示。

为了实现上述目的，本发明提供了一种虚拟机系统，包括服务操作系统SOS、一个或多个客户操作系统GOS、虚拟机监视器VMM和显卡，其中：

所述VMM中设置有一资源转换模块，用于根据资源转换表转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，并用于拦截处于后台的GOS对真实显卡的访问后响应其对显卡的操作；

所述VMM中还设置有一切换模块，用于根据切换VM的命令更改相应VM的状态，并保存VM切换为后台前的显卡状态，并在所述VM重新切换为前台时将保存的显卡状态恢复到显卡；

所述客户操作系统包括一对应于真实显卡的显卡驱动模块，用于访问真实显卡。

上述的虚拟机系统，其中，所述资源转换模块还用于根据处于后台的VM对显卡的操作相应修改所述切换模块中保存的显卡状态数据。

上述的虚拟机系统，其中，所述资源转换模块还用于抛弃处于后台的VM对显卡的操作中不影响显卡状态寄存器的操作。

上述的虚拟机系统，其中，所述VMM还包括：

通信模块，用于服务操作系统、客户操作系统、VMM三者之间的通信。

上述的虚拟机系统，其中，所述服务操作系统包括：

设备模型DM，用于为GOS提供虚拟的PCI总线或PCI-E总线，并用于在接收到VMM转发的GOS扫描PCI总线的操作后，从真实显卡的PCI配置空间读取真实显卡的信息，并给GOS注册包含真实显卡信息的PCI设备或PCI-E设备。

上述的虚拟机系统，其中，所述资源转换表保存在VMM的空间中，或保存在GOS虚拟机的上下文环境中。

上述的虚拟机系统，其中，所述资源转换表具体包括：虚拟机号，设备号，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中断号，Machine中断号，MachineIO段，MachineMMIO段，。

为了更好的实现上述目的，本发明还提供了一种虚拟机系统的显卡使用方法，其中，

VMM中的资源转换模块根据资源转换表转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，同时拦截处于后台的GOS对真实显卡的访问后响应其对显卡的操作；

VMM中的切换模块根据切换VM的命令更改相应VM的状态，并保存VM切换为后台前的显卡状态，并在所述VM重新切换为前台时将保存的显卡状态恢复到显卡；

所述客户操作系统包含对应于真实显卡的显卡驱动模块。上述的方法，其中，所述资源转换模块还根据处于后台的VM对显卡的操作相应修改所述切换模块中保存的显卡状态数据。

上述的方法，其中，切换模块通过调用标准BIOS，执行VGA BIOS，或直接对显卡进行操作将要切换到后台的前台GOS的显卡状态保存到对应GOS的显卡状态数据里。

上述的方法，其中，切换模块通过调用标准BIOS，执行VGA BIOS，或直接对显卡进行操作将要切换到前台的GOS的显卡状态恢复到真实显卡。

上述的方法，其中，GOS处于前台还是后台通过为GOS所在的VM设置的指定其处于前台还是后台的标识来判断。

上述的方法，其中，所述资源转换表保存在VMM的空间中，或保存在GOS虚拟机的上下文环境中。

上述的方法，其中，所述资源转换表具体包括：虚拟机号，设备号，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中断号，Machine中断号，MachineIO段，MachineMMIO段。

本发明的系统和方法，通过在VMM中设置有一资源转换模块，转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，并用于拦截处于后台的GOS对真实显卡的访问后响应其对显卡的操作，能保证同一时间只有一个GOS能访问真实的显卡，同时，由于GOS的PCI总线(PCI-E总线)包含的是真实显卡信息，GOS包含的是对应于真实显卡的显卡驱动程序，因此在访问时是安装对真实显卡的方式访问，能访问真实显卡。

同时，本发明的系统和方法，在切换时，保存切换前对应于该GOS的显卡的状态，同时对应更新处于后台的GOS的显卡操作造成的显卡状态的变化，因此在GOS恢复到前台后，将保存的显卡状态恢复到真实显卡上即可保持状态的一致性，有效地解决了多虚拟机之间的切换显示的问题。

附图说明

图1为现有技术的虚拟机系统中显卡访问的示意图；

图2为本发明的虚拟机系统的结构示意图；

具体实施方式

本发明的虚拟机系统包括服务操作系统SOS、一个或多个客户操作系统GOS、虚拟机监视器VMM和显卡，其中：

VMM包括：

通信模块，分别与SOS、GOS连接，用于SOS、GOS、VMM三者之间的通信；其中VMM通过中断或事件通道(Event Channel)与SOS和GOS通信，SOS通过hypercall与VMM通信，GOS通过vmcall与VMM通信；

资源转换模块，连接GOS的显卡驱动模块和显卡，并根据资源转换表转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，同时还拦截处于后台的GOS对真实显卡的访问后响应其对显卡的操作，其中该转换操作包括：

根据资源转换表将将来自GOS的显卡访问数据进行IO地址地转换或将MMIO映射到显卡的物理MMIO后发送给真实显卡；和

根据资源转换表将接收到的显卡的IRQ转换成GOS的中断号后发送给GOS。

VMM中还设置有一切换模块，用于根据切换VM的命令更改相应VM的状态，并保存VM切换为后台前的显卡状态，并在所述VM重新切换为前台时将保存的显卡状态恢复到显卡；在本发明的图2中，切换模块通过资源转换模块获取显卡状态，当然也可以直接从显卡获取其状态。

服务操作系统SOS包括：

设备模型DM，用于为GOS提供虚拟的PCI总线(PCI-E总线)，，并用于在接收到VMM转发的GOS扫描PCI总线的操作后，从真实显卡的PCI配置空间读取真实显卡的信息，并给GOS注册包含真实显卡的信息的PCI(PCI-E)设备；

GOS包括：

显卡驱动模块，对应于真实显卡，用于访问真实显卡；

GOS发现显卡并获取显卡信息后，将显卡资源(IRQ、IO、MMIO)分配给本系统，并将显卡资源配置信息保存在DM的虚拟PCI总线(PCI-E总线)的PCI配置空间中；

其中，上面提到的资源转换表是在对显卡的资源配置过程中产生的。配置过程为：SOS启动，扫描PCI总线，获取显卡信息，为显卡分配资源(IRQ、IO、MMIO)；GOS启动，扫描虚拟PCI总线，发现由DM提供的真实显卡，获取显卡信息，为显卡分配资源(IRQ、IO、MMIO)；GOS对显卡的资源分配由DM负责解析，DM根据SOS对显卡的资源配置信息和GOS对显卡的资源配置信息生成资源转换表。该资源转换表中包括SOS和GOS分别对显卡分配的IO的对应关系、IRQ的对应关系和MMIO的对应关系。

资源转换表可以由VMM保存在自己的空间里，也可以保存在GOS虚拟机的上下文环境中，具体包括：

虚拟机号，设备号，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中断号，Machine中断号，MachineIO段，MachineMMIO段，其中：

虚拟机号表示GOS所在的运行环境；

设备号用于标识显卡，可以由显卡在真实总线上的bus number，devicenumber和function number组成；

段可以包括起始地址和长度，也可以是起始地址和结束地址；

GuestIO代表GOS扫描虚拟总线为显卡分配的IO资源；

GuestMMIO代表GOS扫描虚拟总线为显卡分配的MMIO资源；

Guest中断号代表GOS扫描虚拟总线为显卡分配的中断号；

Machine中断号代表SOS扫描真实总线为显卡分配的中断号；

MachineIO代表SOS扫描真实总线为显卡分配的IO资源。

MachineMMIO代表SOS扫描真实总线为显卡分配的MMIO资源。

上述的虚拟机系统对显卡的访问包括SOS对显卡的操作和GOS对显卡的操作，其中：

SOS启动时，扫描PCI总线，发现真实显卡，获取真实显卡信息，为本系统分配真实显卡分配资源(IRQ、IO、MMIO)，SOS通过真实显卡的驱动模块对显卡进行访问；

GOS启动时，扫描PCI总线，其扫描操作被VMM拦截，并通过通信模块转发到DM里的虚拟PCI总线，DM从真实显卡的PCI配置空间读取真实显卡的信息，并给GOS注册真实显卡的信息。GOS发现显卡，获取显卡信息，为显卡进行资源配置(IRQ、IO、MMIO)，并保存在DM虚拟的PCI总线的虚拟显卡的PCI配置空间里。VMM从中获得虚拟显卡的资源范围(中断号，各个IO段，各个MMIO段)，并建立GOS的显卡资源和真实显卡的资源转换表。GOS通过显卡驱动模块访问显卡时，其对显卡的访问操作(IO，MMIO)被VMM的资源转换模块拦截，如果该GOS处于前台，VMM根据资源转换表，把转换后的操作发送给真实显卡，并将显卡返回的IRQ转换成GOS的Guset中断号后发送给GOS，对于处于后台的GOS，资源转换模块拦截其对真实显卡的访问，不让其访问真实显卡。

对于如何判别GOS处于前台还是后台，本发明通过以下方法来实现。

对于VMM来说，每个GOS所在的VM都设置一个标志，标识其为前台还是后台。当该虚拟机获得时间片运行时，资源转换模块根据VM的标识判别其为前台还是后台，VMM保证最多只有一个VM(包括SOS所在的VM)是处于前台。

下面结合VM的切换对本发明的方法进行进一步详细的说明。

切换就是把处于前台的VM标识为后台，把一个在后台不显示的GOS的标识为前台。对于每个处于后台的VM，VMM拦截其对显卡的操作后，不把操作转换到真实显卡。只有标识为前台的VM，VMM拦截其对显卡的操作后，由资源转换模块把操作转换到真实显卡。这样保证同一时刻只有一个GOS访问真实显卡。

因为显卡是存在状态的，比如有三个虚拟机VM1，VM2和VM3，当VM1处于前台时对显卡进行操作，使得显卡处于状态state1，此后由于切换操作，VM1被标记为后台，VM2被标记为前台，因此VM1不能操作显卡，显卡由另一个虚拟机VM2操作，VM2操作显卡使得显卡处于状态state2。

如果此时再切换到VM1，VM1里的GOS认为显卡还是state1状态，而实际显卡已经是state2状态。VM1的GOS还是按state1状态操作显卡，就会出现异常和错误，因此需要进行保存和恢复显卡状态的操作。

另外，处于后台的VM还是认为自己是独占显卡，虽然其操作不发送到真实显卡上，但它会认为它的操作已经成功，并已经改变了显卡的状态。当该VM又重新处于前台时候，其会按它在后台对显卡的操作状态对真实显卡继续进行操作，因此需要跟踪处于后台的VM对显卡的操作所带来的状态变化。

下面分别对上面提到的问题进行说明。

对显卡状态的保存和恢复可以直接调用BIOS，如中断10h的功能ah＝1C，al＝1保存显卡状态，ah＝1C，al＝2恢复显卡状态。

如果显卡厂商的VGA BIOS也提供保存和恢复显卡的状态操作，则也可以直接调用VGA BIOS提供接口。

此外还可以直接对显卡编程读出其显卡寄存器保存起来，然后再写回显卡寄存器。

因此本发明的方法中可以利用以下方式进行切换：

在VMM中设置一显卡状态保存模块，用于保存前台VM的显卡状态，然后停止该VM的执行，当该VM被重新切换为前台时候，将保存的显卡状态恢复到显卡上，这样能够保证显卡状态的一致。

同时本发明的方法中还可以利用以下方式进行切换，可以在保证状态一致的同时，使后台VM能继续运行：

在VMM中设置与GOS对应的显卡状态寄存器，在GOS从前台切换到后台时，首先，把当前真实显卡的状态保存到该VM对应的显卡状态寄存器，此后该VM处于后台，它会继续对显卡操作，但此时资源转换模块不会把其操作转换到真实显卡(即其不能操作到真实显卡)，而仅根据其对显卡的操作，拦截GOS对该显卡的操作后，根据拦截的操作数据更新对应的显卡状态寄存器，而其中不影响显卡状态寄存器的操作(如对显卡framebuffer的操作)，则直接抛弃。当该VM又切换为前台后，资源转换模块将VM的显卡状态寄存器的数据恢复到真实显卡上。

同时，对于切换VM的操作，可以由VMM拦截键盘操作，当拦截的操作是预定的切换操作命令(如Alt+F2切换VM2到前台)，也可以是SOS通过网络获取的命令，然后发送给VMM。

同时，对于谁处于前台还是后台是动态变化的。一种变化是用每启动一个VM，该VM就标记为前台，而原来处于前台的VM标识为后台。VMM根据VM的标识来判断是前台还是后台VM，并对显卡的操作进行相应的处理。

VMM把要切换到前台的Guest OS的显卡状态恢复到真实显卡上(调用标准的BIOS，执行VGA BIOS，或直接对显卡进行操作等)，并让该Guest OS直接访问真实显卡，同时标记该GuestOS为前台。

对于处于后台的GuestOS，VMM拦截其对真实显卡的访问，并响应其对显卡的操作，如模式切换，改变分辨率等，但不把具体的IO操作在真实显卡上执行，而对于显卡framebuffer的操作直接抛弃。即对于处于后台的GuestOS，VMM模拟GuestOS对真实显卡的IO操作，并记录GuestOS所看见显卡的状态；对于framebuffer的操作直接抛弃，不写入真实的显卡，这样后台GuestOS以为自己对真实显卡的操作，但实际上没有影响真实的显卡，不会破坏前台GuestOS的显示。

虚拟机技术的所谓的拦截是，当GOS执行一些不能由GOS执行的操作的时候，CPU的执行陷入到VMM，由VMM执行。VMM代替GOS执行一些操作后(也可以什么都不执行)，再切换回去到GOS执行。

模式切换，改变分辨率是显卡状态的改变。所谓的模拟是VMM代替真实显卡响应GOS对显卡操作。如后台GOS要读取显卡的状态，VMM返回的是VM里的显卡状态，而不是真实显卡的状态。而对于写显卡，仅更新VM里的显卡状态，不写到真实显卡上。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种虚拟机系统，包括服务操作系统SOS、一个或多个客户操作系统GOS、虚拟机监视器VMM和显卡，其特征在于：

所述VMM中设置有一资源转换模块，用于根据资源转换表转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，并用于拦截处于后台的GOS对真实显卡的访问后响应其对显卡的操作；

所述VMM中还设置有一切换模块，用于根据切换VM的命令更改相应VM的状态，并保存VM切换为后台前的显卡状态，并在所述VM重新切换为前台时将保存的显卡状态恢复到显卡；

所述客户操作系统包括一对应于真实显卡的显卡驱动模块，用于访问真实显卡。

2.根据权利要求1所述的虚拟机系统，其特征在于，所述资源转换模块还用于根据处于后台的VM对显卡的操作相应修改所述切换模块中保存的显卡状态数据。

3.根据权利要求2所述的虚拟机系统，其特征在于，所述资源转换模块还用于抛弃处于后台的VM对显卡的操作中不影响显卡状态寄存器的操作。

4.根据权利要求1、2或3所述的虚拟机系统，其特征在于，所述VMM还包括：

通信模块，用于服务操作系统、客户操作系统、VMM三者之间的通信。

5.根据权利要求1、2或3所述的虚拟机系统，其特征在于，所述服务操作系统包括：

设备模型DM，用于为GOS提供虚拟的PCI总线或PCI-E总线，并用于在接收到VMM转发的GOS扫描PCI总线的操作后，从真实显卡的PCI配置空间读取真实显卡的信息，并给GOS注册包含真实显卡信息的PCI设备或PCI-E设备。

6.根据权利要求1、2或3所述的虚拟机系统，其特征在于，所述资源转换表保存在VMM的空间中，或保存在GOS虚拟机的上下文环境中。

7.根据权利要求6所述的虚拟机系统，其特征在于，所述资源转换表具体包括：虚拟机号，设备号，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中断号，MachineIO段，MachineMMIO段，Machine中断号。

8.一种虚拟机系统的显卡使用方法，其特征在于，

VMM中的资源转换模块根据资源转换表转换处于前台的GOS的显卡驱动模块和显卡之间交互的数据，同时拦截处于后台的GOS对真实显卡的访问后响应其对显卡的操作；

VMM中的切换模块根据切换VM的命令更改相应VM的状态，并保存VM切换为后台前的显卡状态，并在所述VM重新切换为前台时将保存的显卡状态恢复到显卡；

所述客户操作系统包括一对应于真实显卡的显卡驱动模块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述资源转换模块还根据处于后台的VM对显卡的操作相应修改所述切换模块中保存的显卡状态数据。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，切换模块通过调用标准BIOS，执行VGA BIOS，或直接对显卡进行操作把要切换到后台的前台GOS的显卡状态保存在该GOS的显卡状态数据里，并把要切换到前台的后台GOS的显卡状态数据恢复到真实显卡来执行切换。

11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，GOS处于前台还是后台通过为GOS所在的VM设置的指定其处于前台还是后台的标识来判断。

12.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述资源转换表保存在VMM的空间中，或保存在GOS虚拟机的上下文环境中。

13.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述资源转换表具体包括：虚拟机号，设备号，GuestIO段，GuestMMIO段，Guest中断号，MachineIO段，MachineMMIO段，Machine中断号。

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