CN111857853A - 一种双系统无缝切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双系统无缝切换方法，具体涉及双系统切换技术领域，具体包括如下操作步骤：1、预留低地址内存空间→将物理显卡单独分配给一个虚拟机独占访问→将资源信息写入PCI设备配置空间→将设备真实PCI配置空间内容完整复制到虚拟配置空间，并修改BIOS中PCI设备探测与资源分配部分的代码→安装驱动测试；2、创建虚拟扩展屏→查找Windows虚拟机窗口→将虚拟机管理黑屏窗口移动到虚拟扩展屏。本发明在Linux宿主机与Windows虚拟机双系统应用场景中，使用显卡透传技术，解决了宿主机和虚拟机同时播放高清视频或者使用高端图形工具时，导致的播放高清视频效果不理想和使用高端图形工具不流畅的问题，并通过虚拟扩展技术提升双系统应用场景下的用户体验。

Description

一种双系统无缝切换方法
技术领域
本发明涉及双系统切换技术领域，更具体地说，本发明涉及一种双系统无缝切换方法。
背景技术
目前，虚拟化技术已成为业界的一个热点。人们不再仅仅满足于将虚拟机用于日常办公，简单的报表文字处理或浏览网页、专业3D软件、实时监控等高端应用场景也需要虚拟机架构来支撑。在这些应用场景中，显卡(Graphics Processing Unit，GPU)是不可或缺的。用户对图形处理和计算能力的要求与虚拟机GPU的处理能力之间的矛盾逐渐凸显。
虽然虚拟化技术已经成熟，在日常办公等应用中得到广泛验证，但针对宿主机和虚拟机双系统同时播放高清视频或使用高端图形处理工具时，由于存在GPU资源抢占的问题，导致播放视频效果差以及使用高端图形工具不流畅，因此无法满足用户需求。对现有的虚拟机系统中的图形处理能力进行一些改进和创新，以满足虚拟机用户的图形显示性能的需求成为研究热点。
另外，在显卡透传技术的基础上，虚拟机管理窗口存在黑屏现象，且传统宿主机与虚拟机双系统切换过程中，用户必须在宿主机端激活虚拟机管理窗口，方可对虚拟机进行操作，并且在系统切换过程中存在延时的问题，无法达到两个系统无缝前额换，非常影响双系统应用场景下的用户体验。
现有双系统切换技术功能如下：
1、将物理主机的GPU进行透传，使得虚拟机可以像普通PC机一样使用GPU设备。
2、在宿主机与虚拟机之间切换时，用户可以通过移动鼠标的方法进行双系统间的无缝切换，达到双系统并行工作的效果。
在宿主机和虚拟机双系统中实现GPU透传技术框架如图1所示，在宿主机操作系统中，需要安装显卡驱动软件。为了在虚拟机中实现显卡的透传，还需要增加显卡透传管理模块和设备透传插件。显卡透传管理模块主要对物理显卡进行识别，分配，删除，回收。虚拟机启动前和停止后显卡透传模块都会执行特定的钩子代码，在虚拟机启动前会检查是否有闲置的物理显卡，若存在空闲显卡，则可以执行透传操作。在虚拟机停止后，显卡透传管理模块会检查是否有物理显卡透传给了本虚拟机，若有，则执行删除、回收操作。显卡透传技术满足播放高清视频或使用高端图形管理工具的需求。
实现宿主机和虚拟机双系统切换技术框架如图2所示，宿主机系统启动后，通过虚拟机管理工具启动虚拟机或者设置虚拟机随宿主机开机自启动。双系统启动后，宿主机首先创建虚拟扩展屏，其次自动查找虚拟机管理黑屏窗口，再将宿主机上的虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏。除去了因显卡透传导致的虚拟机窗口内部黑屏；且在用户进行双系统切换时，无需激活宿主机上的虚拟机管理黑屏窗口，只需要移动鼠标，便可以在两个系统间进行无缝切换，确保双系统切换过程无延时。虚拟扩展屏技术满足双系统无缝切换的需求，有效提升了用户体验。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种双系统无缝切换方法，本发明所要解决的技术问题是：1、通过显卡透传技术，使宿主机和虚拟机各自有一块显卡，不会互相抢占资源，解决了宿主机和虚拟机同时播放高清视频或者使用其他图形技术程序时资源竞争的问题；2、通过虚拟扩展屏技术，则1)解决了因显卡透传导致的虚拟机管理窗口内部黑屏问题；2)解决了在双系统切换时，必须在宿主机端激活虚拟机管理黑屏窗口，方可操作虚拟机的问题；3)实现了只需要移动鼠标便可以在两个系统间进行无缝切换，同时解决了双系统切换过程中存在延时的问题；提升了双系统应用场景下的用户体验。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种双系统无缝切换方法，具体包括如下操作步骤：
步骤一：在Linux操作系统在启动时将低地址内存空间预留出来，并在PHYSICAL_START变量设置系统启动时内核加载地址，缺省指向对应地址处；采用直接地址映射技术，通过虚拟机管理工具将物理显卡单独分配给一个虚拟机独占访问，使虚拟机上的客户端操作系统直接驱动物理显卡，进行MMIO访问和DMA操作；
步骤二：在系统初始化时，由BIOS根据一定的算法分配PCI设备所占有的资源，并将资源信息写入PCI设备配置空间；在注册pci-assign虚拟设备时将设备真实PCI配置空间内容完整复制到虚拟配置空间，然后修改BIOS中PCI设备探测与资源分配部分的代码；主机向虚拟机操作系统直接分配显卡；
步骤三：宿主机向虚拟机操作系统直接分配显卡，并安装原厂驱动进行测试，用于检测Windows虚拟机显示效果；
步骤四：Linux宿主机安装虚拟机管理工具，宿主机系统启动后，用户通过虚拟管理工具启动虚拟机或者设置虚拟机随宿主机开机自启动，Linux宿主机和Windows虚拟机通过双屏幕同时显示；
步骤五：双系统启动后，宿主机首先创建虚拟扩展屏，其次自动查找虚拟机管理黑屏窗口，再将虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏；
步骤六：通过移动鼠标的方法在宿主机和虚拟机双屏幕之间进行系统切换测试，用于检测双系统切换的效果。
在一个优选地实施方式中，上述步骤一中，物理显卡直接分配给虚拟机的客户操作系统还可以使得虚拟机操作系统充分利用物理显卡原始驱动实现显卡效能的最大化发挥。
在一个优选地实施方式中，上述步骤二中，在虚拟机BIOS设置显卡各配置寄存器时，首先读取虚拟配置空间中的真实设备配置信息，优先为显卡分配虚拟机硬件资源，确保被透传的显卡与真实显卡保持一致的基地址寄存器配置信息。
在一个优选地实施方式中，上述步骤四中，通过虚拟机管理工具启动Windows虚拟机或设定虚拟机随宿主机开机自启动，使Linux宿主机和Windows虚拟机双系统均为启动状态。
在一个优选地实施方式中，上述步骤五中，将宿主机上的虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏，除去了虚拟机窗口内部黑屏，且用户不需在宿主机端激活虚拟机管理窗口，只需要移动鼠标便可以在两个系统间进行无缝切换，确保双系统切换过程无延时。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明在Linux宿主机与Windows虚拟机双系统应用场景中，使用显卡透传技术，解决了播放高清视频或者使用高端图形工具时，因资源抢占导致的双系统同时播放高清视频效果不理想和使用高端图形工具不流畅的问题；
2、本发明在Linux宿主机与Windows虚拟机双系统切换场景中，利用虚拟扩展屏技术，能实现如下效果：1)解决了因显卡透传导致的虚拟机管理窗口内部黑屏问题；2)解决了在双系统切换时，必须在宿主机端激活虚拟机管理黑屏窗口，方可操作虚拟机的问题；3)实现了只需要移动鼠标便可以在两个系统间进行无缝切换，同时解决了双系统切换过程中存在延时的问题；提升了双系统应用场景下的用户体验。
附图说明
图1为本发明的GPU透传方案框架。
图2为本发明的双系统无缝切换技术体系结构。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些示例实施方式使得本公开的描述将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多示例实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的示例实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
本发明提供了一种双系统无缝切换方法，具体包括如下操作步骤：
步骤一：在Linux操作系统在启动时将低地址内存空间预留出来，并在PHYSICAL_START变量设置系统启动时内核加载地址，缺省指向对应地址处；采用直接地址映射技术，通过虚拟机管理工具将物理显卡单独分配给一个虚拟机独占访问，使虚拟机上的客户端操作系统直接驱动物理显卡，进行MMIO访问和DMA操作；
步骤二：在系统初始化时，由BIOS根据一定的算法分配PCI设备所占有的资源，并将资源信息写入PCI设备配置空间；在注册pci-assign虚拟设备时将设备真实PCI配置空间内容完整复制到虚拟配置空间，然后修改BIOS中PCI设备探测与资源分配部分的代码；主机向虚拟机操作系统直接分配显卡；
步骤三：宿主机向虚拟机操作系统直接分配显卡，并安装原厂驱动进行测试，用于检测Windows虚拟机显示效果；
步骤四：Linux宿主机安装虚拟机管理工具，宿主机系统启动后，用户通过虚拟管理工具启动虚拟机或者设置虚拟机随宿主机开机自启动，Linux宿主机和Windows虚拟机通过双屏幕同时显示；
步骤五：双系统启动后，宿主机首先创建虚拟扩展屏，其次自动查找虚拟机管理黑屏窗口，再将虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏；
步骤六：通过移动鼠标的方法在宿主机和虚拟机双屏幕之间进行系统切换测试，用于检测双系统切换的效果。
进一步的，上述步骤一中，物理显卡直接分配给虚拟机的客户操作系统还可以使得虚拟机操作系统充分利用物理显卡原始驱动实现显卡效能的最大化发挥。
进一步的，上述步骤二中，在虚拟机BIOS设置显卡各配置寄存器时，首先读取虚拟配置空间中的真实设备配置信息，优先为显卡分配虚拟机硬件资源，确保被透传的显卡与真实显卡保持一致的基地址寄存器配置信息。
进一步的，上述步骤四中，通过虚拟机管理工具启动Windows虚拟机或设定虚拟机随宿主机开机自启动，使Linux宿主机和Windows虚拟机双系统均为启动状态。
进一步的，上述步骤五中，将宿主机上的虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏，除去了虚拟机窗口内部黑屏，且用户不需在宿主机端激活虚拟机管理窗口，只需要移动鼠标便可以在两个系统间进行无缝切换，确保双系统切换过程无延时。
在本案中，采用显卡直接分配技术将物理显卡(独立显卡)单独分配给一个虚拟机独占访问，使虚拟机上的客户端操作系统直接驱动物理显卡，进行MMIO访问和DMA操作，是一个在虚拟环境中获得高质量图形显示效果的有效解决方案，显卡直接分配给虚拟机的客户操作系统还可以使得虚拟机操作系统充分利用物理显卡原始驱动实现显卡效能的最大化发挥，在实现显卡直接分配时，最重要的是显卡的PCI配置空间虚拟化，对于普通PCI设备，可以直接虚拟PCI配置空间，为保证显卡透传功能的通用性，针对显卡都采用VBAR＝PBAR的映射方式，在虚拟机BIOS设置显卡各配置寄存器时，首先读取虚拟配置空间中的真实设备配置信息，优先为显卡分配虚拟机硬件资源，确保被透传的显卡与真实显卡保持一致的基地址寄存器配置信息，而对于显卡中断等配置则可以根据需要由虚拟机进行映射转换，中断号的虚拟不影响显卡透传，该虚拟机显卡透传技术解决了虚拟机操作系统图形显示效果差的难题，在终端安全领域，显卡透传技术通过虚拟机操作系统直接驱动物理显卡获得高质量显示效果，使得虚拟机中的客户操作系统具有更普遍的适应性，能够满足普通用户的使用需求，而宿主机向虚拟机操作系统直接分配显卡，并安装原厂驱动进行测试，测试证明虚拟机操作系统的显示效果得到质的提升，获得了和主机显示完全接近的效果。
传统的宿主机与虚拟机双系统切换，必须在宿主机端激活虚拟机管理黑屏窗口，方可对虚拟机进行操作。在本方案中，宿主机系统启动时，通过虚拟机管理工具启动虚拟机或者设置虚拟机随宿主机开机自启动；双系统启动后，宿主机首先创建虚拟扩展屏，其次自动查找虚拟机管理黑屏窗口，再将虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏。该方案除去了虚拟机窗口内部黑屏，且用户不需在宿主机端激活虚拟机管理窗口，只需要移动鼠标便可以在两个系统间进行无缝切换，确保双系统切换过程无延时，从而有效提升了双系统应用场景下的用户体验。
最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
其次：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双系统无缝切换方法，其特征在于：具体包括如下操作步骤：
步骤一：Linux操作系统在启动时将低地址内存空间预留出来，并在PHYSICAL_START变量设置系统启动时内核加载地址，缺省指向对应地址处；采用直接地址映射技术，通过虚拟机管理工具将物理显卡单独分配给一个虚拟机独占访问，使虚拟机上的操作系统直接驱动物理显卡，进行MMIO访问和DMA操作；
步骤二：在系统初始化时，由BIOS根据一定的算法分配PCI设备所占有的资源，并将资源信息写入PCI设备配置空间；在注册pci-assign虚拟设备时将设备真实PCI配置空间内容完整复制到虚拟配置空间，然后修改BIOS中PCI设备探测与资源分配部分的代码；主机向虚拟机操作系统直接分配显卡；
步骤三：宿主机向虚拟机操作系统直接分配显卡，并安装原厂驱动进行测试，用于检测Windows虚拟机显示效果；
步骤四：Linux宿主机安装虚拟机管理工具，宿主机系统启动后，用户通过虚拟管理工具启动虚拟机或者设置虚拟机随宿主机开机自启动，Linux宿主机和Windows虚拟机通过双屏幕同时显示；
步骤五：双系统启动后，宿主机首先创建虚拟扩展屏，其次自动查找虚拟机管理黑屏窗口，再将虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏；
步骤六：通过移动鼠标的方法在宿主机和虚拟机双屏幕之间进行系统切换测试，用于检测双系统切换的效果。
2.根据权利要求1所述的一种双系统无缝切换方法，其特征在于：上述步骤一中，物理显卡直接分配给虚拟机的客户操作系统还可以使得虚拟机操作系统充分利用物理显卡原始驱动实现显卡效能的最大化发挥。
3.根据权利要求1所述的一种双系统无缝切换方法，其特征在于：上述步骤二中，在虚拟机BIOS设置显卡各配置寄存器时，首先读取虚拟配置空间中的真实设备配置信息，优先为显卡分配虚拟机硬件资源，确保被透传的显卡与真实显卡保持一致的基地址寄存器配置信息。
4.根据权利要求1所述的一种双系统无缝切换方法，其特征在于：上述步骤四中，通过虚拟机管理工具启动Windows虚拟机或设定虚拟机随宿主机开机自启动，使Linux宿主机和Windows虚拟机双系统均为启动状态。
5.根据权利要求1所述的一种双系统无缝切换方法，其特征在于：上述步骤五中，将宿主机上的虚拟机管理黑屏窗口内容移动到虚拟扩展屏，除去了虚拟机窗口内部黑屏，且用户不需在宿主机端激活虚拟机管理窗口，只需要移动鼠标便可以在两个系统间进行无缝切换，确保切换过程无延时。
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