CN112506818B - 一种基于软件模拟的usb硬件虚拟化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法，包括以下步骤：S1、在操作系统启动时自动加载USB主机控制器驱动和配套的应用程序；S2、为配套的应用程序设置必要参数；S3、将USB硬件接入操作系统，通过主机控制驱动自动根据物理设备的信息虚拟出多个USB虚拟设备；S4、通过操作系统识别出多个USB虚拟设备并添加到设备列表。本发明改进了传统的USB设备虚拟化技术，支持一个设备同时虚拟出多个，最高可支持128个功能完全相同的硬件设备，每一个虚拟出的硬件设备可同时独立工作，互不影响。

Description

一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法
技术领域
本发明涉及USB硬件虚拟化技术领域，具体涉及一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法。
背景技术
USB硬件设备虚拟化是解决连接在主机的USB硬件设备在远程的其它系统上使用的一种通用技术。一般的实现方案为通过网络的方式，将USB设备定向到其它系统，如运行在主机的虚拟机系统、主机连接的云终端系统、局域网内其它主机等。现有的实现方案如USBRedirector、USBIP等都已实现通过网络的方式，通过安装在主机与远程主机的程序，将连接在主机的USB设备重定向到远程的系统，在远程操作系统无需做任何特殊配置即可使用重定向的虚拟USB设备。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法解决了主机端与虚拟机系统无法同时使用USB设备，一个硬件设备无法同时映射到多个不同的系统的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法，包括以下步骤：
S1、在操作系统启动时自动加载USB主机控制器驱动和配套的应用程序；
S2、为配套的应用程序设置必要参数；
S3、将USB硬件接入操作系统，通过主机控制驱动自动根据物理设备的信息虚拟出多个USB虚拟设备；
S4、通过操作系统识别出多个USB虚拟设备并添加到设备列表。
进一步地：所述步骤S2中的必要参数包括：需要虚拟化的硬件设备信息，如PID和VID；需要虚拟的硬件个数；虚拟硬件的硬件设备信息，如PID、VID、物理序列号、名称和描述信息。
进一步地：所述USB虚拟设备的具体使用流程为：
A、通过应用程序根据PID和VID信息枚举USB虚拟设备；
B、根据需要通过应用程序选择一个USB虚拟设备；
C、通过应用程序以使用物理设备的方式使用USB虚拟设备。
进一步地：所述步骤C的具体步骤为：
C1、通过USB虚拟化的主机控制驱动获取应用程序发送的USB请求，将请求路由到物理设备中；
C2、通过物理设备响应该USB请求，并通过主机控制驱动将响应结果写入USB虚拟设备的输出端口；
C3、通过应用程序获取到主机控制驱动提交的响应结果并使用。
进一步地：所述应用程序可将USB虚拟硬件再次提供给USB映射软件，USB映射软件可任意选择一个虚拟设备并映射到其它操作系统，实现同一个USB硬件在多个不同操作系统中使用。
进一步地：对所述USB请求进行细粒度的切片管理与协同，适应简单和复杂的USB硬件，保证多个USB虚拟硬件并发访问时无差错的响应。
进一步地：所述对USB请求进行细粒度的切片管理与协同具体为：
针对无状态机的单次请求，主机控制驱动内部实现请求队列，当响应完成后再执行下一个请求；
针对需要多个特定请求按序响应的设备，主机控制驱动抽象出设备的操作流程，将一个顺序流封装到抽象的操作流中，在顺序流完成后执行下一个操作流；
针对有状态机的硬件设备，主机控制驱动无需协同。
本发明的有益效果为：本发明改进了传统的USB设备虚拟化技术，支持一个设备同时虚拟出多个，最高可支持128个功能完全相同的硬件设备，每一个虚拟出的硬件设备可同时独立工作，互不影响。虚拟出的USB设备与物理USB设备的使用方式完全相同，可通过虚拟机软件本身的USB映射功能映射到虚拟机系统中使用，也可通过USBIP、USBRedirector等映射软件将设备重定向到其它系统中使用。同时，基于USB指令的细粒度切片管理与协同，保证每一个虚拟设备的功能正确且不干扰其它设备的正常使用。
(1)本发明适应性极高，支持的USB协议包括自USB1.0至USB3.2所有版本USB协议。支持的USB设备，包括但不仅限于：USB智能卡、USB存储设备、USB键盘、USB鼠标、USB摄像头；
(2)本发明支持市面上主流操作系统，包括但不仅限于：Windows操作系统(Win7、win10)、通用Linux操作系统(Ubuntu、CentOS)、信创操作系统(中标麒麟、银河麒麟、UOS优信操作系统)、Android 7以上版本操作系统；
(3)本发明与传统的USB设备虚拟化相比，本方法可将一个物理设备虚拟成多个相互独立的USB设备，各个虚拟设备可当真实的物理设备使用，互不影响；
(4)本发明虚拟出的USB设备可再通过通用的USB硬件映射程序，映射到其它不同系统中使用，扩展了USB硬件设备的用途；
(5)本发明基于USB请求的细粒度切片管理，使用抢占式的调度方式，保证了每一个虚拟的设备都能正常使用到物理设备资源。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法，包括以下步骤：
S1、在操作系统启动时自动加载USB主机控制器驱动和配套的应用程序；
S2、为配套的应用程序设置必要参数；
a)配置需要虚拟化的硬件设备信息，如PID，VID等；
b)配置需要虚拟的硬件个数；
c)配置虚拟硬件的硬件设备信息，如PID、VID、物理序列号、名称、描述信息等。
S3、将USB硬件接入操作系统，通过主机控制驱动自动根据物理设备的信息虚拟出多个USB虚拟设备；
S4、通过操作系统识别出多个USB虚拟设备并添加到设备列表。
应用程序对虚拟USB设备的具体使用流程按以下方式：
1.应用程序根据PID、VID等信息枚举虚拟化设备
2.应用程序根据自己的需要，选择一个虚拟化设备使用
3.应用程序以使用物理设备的方式使用虚拟化设备，详细流程如下：
1)USB虚拟化的主机控制驱动首先获取到应用程序发送的USB请求，将请求路由到真实的物理设备中。
2)物理设备对该请求响应，主机控制驱动将结果写入虚拟设备的输出端口；
3)应用程序获取到主机控制驱动提交的返回结果并使用。
本发明实现的USB硬件虚拟化方法，在应用程序使用方面，可将虚拟化USB硬件再次提供给USBRedirector,USBIP等传统的USB映射软件使用，USB映射软件可选择任意一个虚拟设备并映射到其它操作系统，实现同一个USB物理硬件在多个不同的操作系统中使用。
本发明实现的USB硬件虚拟化方法，通过对USB请求进行细粒度的切片管理与协同，适应简单的和复杂的USB设备，保证多个虚拟硬件并发访问时无差错地响应，避免真实的物理设备对某些虚拟设备长期占用而导致其它虚拟设备“饥饿”的现象。
USB请求细粒度切片管理与协同需要考虑USB硬件的特性，从以下几个方面考虑：
(1)设备内部无状态机，只能实现请求->响应模式，中途不能被打断
(2)设备内部无状态机，且需要多个特定的请求按序请求->响应，中途不能打断
(3)设备内部有状态机，能处理请求->响应中途被打断的请求
根据设备的不同特性，解决设备请求协同以如下几种方式实现：
(1)针对无状态机的单次请求->响应设备，主机控制驱动内部实现请求队列，当响应完成后再执行下一个请求
(2)针对需要多个特定请求按序响应的设备，主机控制驱动抽象出设备的操作流程，将一个顺序流封装到抽象的操作流中，顺序流完成后再执行下一个操作流
(3)有状态机的硬件设备，主机控制驱动无需做过多的协同。

Claims (3)

1.一种基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在操作系统启动时自动加载USB主机控制器驱动和配套的应用程序；
S2、为配套的应用程序设置必要参数；
S3、将USB硬件接入操作系统，通过主机控制驱动自动根据物理设备的信息虚拟出多个USB虚拟设备；
S4、通过操作系统识别出多个USB虚拟设备并添加到设备列表；
所述USB虚拟设备的具体使用流程为：
A、通过应用程序根据PID和VID信息枚举USB虚拟设备；
B、根据需要通过应用程序选择一个USB虚拟设备；
C、通过应用程序以使用物理设备的方式使用USB虚拟设备；
所述步骤C的具体步骤为：
C1、通过USB虚拟化的主机控制驱动获取应用程序发送的USB请求，将请求路由到物理设备中；
C2、通过物理设备响应该USB请求，并通过主机控制驱动将响应结果写入USB虚拟设备的输出端口；
C3、通过应用程序获取到主机控制驱动提交的响应结果并使用；
对所述USB请求进行细粒度的切片管理与协同，适应简单和复杂的USB硬件，保证多个USB虚拟硬件并发访问时无差错的响应；
所述对USB请求进行细粒度的切片管理与协同具体为：
针对无状态机的单次请求，主机控制驱动内部实现请求队列，当响应完成后再执行下一个请求；
针对需要多个特定请求按序响应的设备，主机控制驱动抽象出设备的操作流程，将一个顺序流封装到抽象的操作流中，在顺序流完成后执行下一个操作流；
针对有状态机的硬件设备，主机控制驱动无需协同。
2.根据权利要求1所述的基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法，其特征在于，所述步骤S2中的必要参数包括：需要虚拟化的硬件设备信息，如PID和VID；需要虚拟的硬件个数；虚拟硬件的硬件设备信息，如PID、VID、物理序列号、名称和描述信息。
3.根据权利要求1所述的基于软件模拟的USB硬件虚拟化方法，其特征在于，所述应用程序可将USB虚拟硬件再次提供给USB映射软件，USB映射软件可任意选择一个虚拟设备并映射到其它操作系统，实现同一个USB硬件在多个不同操作系统中使用。
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