JP2009187368A - Ｕｓｂポートの共有制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の仮想計算機が、OS上で動作するUSBホストコントローラデバイスドライバから物理USBホストコントローラを介して物理USBポートを共有利用可能にする。
【解決の手段】物理計算機10内に構築される複数の仮想計算機100、200上に仮想USBホストコントローラ102、202を配置し、使用する物理USBポートへのＵＳＢデバイス20の装脱着のエミュレーションと、仮想計算機のUSBポート利用権の割当変更を制御端末からのオペレーションにより排他利用を可能にして、物理ＵＳＢポート21を仮想計算機間で共有利用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＵＳＢポートの共有制御方法に係り、特に、物理計算機に実装され物理ＵＳＢポートを介してＵＳＢデバイスが接続される物理ＵＳＢホストコントローラを複数の仮想計算機に共有利用させ、物理ＵＳＢポートを１つの仮想計算機に占有利用させることを可能にしたＵＳＢポートの共有制御方法に関する。

通常、ＵＳＢデバイスが物理ＵＳＢポートに接続された場合、物理ＵＳＢホストコントローラのレジスタにおけるポートの状態を表示または制御するＰＯＲＴＳＣレジスタに接続状態が反映される。そして、計算機上のＵＳＢドライバは、このＰＯＲＴＳＣレジスタの内容を見て、物理ポートの制御を開始している。

一方、物理計算機に実装された物理ＵＳＢホストコントローラを仮想計算機に使用させるためには、仮想計算機におけるＵＳＢホストコントローラの仮想化が必要である。このような仮想計算機におけるＵＳＢホストコントローラの仮想化は、デバイスの仮想化による共有技術により、物理計算機内に複数の仮想計算機を生成する制御を行っているホスト計算機内に構成されるハイパバイザによって、物理ＵＳＢホストコントローラに対するデバイスエミュレーションを行うことにより実現される。

なお、仮想計算機におけるＩ／Ｏデバイスの共有に関する従来技術として、例えば、特許文献１等に記載された技術が知られている。
特開２００６−８５５４３公報

しかし、物理ＵＳＢポートに接続されたＵＳＢデバイスを仮想計算機に使用させるためには、前述のＰＯＲＴＳＣレジスタに反映されている接続状態を、仮想計算機上のＵＳＢドライバに見せる制御が必要になり、そのための処理が必要となっていた。

そして、ハードウエアのベンダが提供するハードウエアデバイスを仮想計算機上で安定して動作させるためには、仮想計算機をエミュレーションするハイパバイザ上に、ＵＳＢホストコントローラの仮想化と物理ＵＳＢホストコントローラ制御のためのデバイス制御とを実装することになるが、前述の特許文献１に記載された従来技術を用いて、物理ＵＳＢホストコントローラを仮想化しようとしても、品質と性能とを確保しつつ、ベンダが提供するハードウエアの完全な動作を保障することは、ベンダが提供するハードウェアの詳細な仕様等が公開されていない場合が多く非常に困難である。

本発明の目的は、前述したような点に鑑み、仮想計算機を制御するハイパバイザにおいて、一般に公開されているＵＳＢホストコントローラのハードウエア仕様に準ずる物理デバイスの制御を極力行わないように限定し、仮想計算機上のＯＳ上で動作するＵＳＢホストコントローラデバイスドライバが物理ＵＳＢホストコントローラを介してＵＳＢポートの利用を占有して行うことができるようにしたＵＳＢポートの共有制御方法を提供することにある。

本発明によれば前記目的は、物理計算機内に構成される複数の仮想計算機に、物理計算機に実装される物理ＵＳＢホストコントローラを共有利用させるＵＳＢポートの共有制御方法において、前記物理計算機が、複数の仮想計算機を構成するハイパバイザを有し、該ハイパバイザが、前記物理ＵＳＢホストコントローラを前記複数の仮想計算機上に仮想ＵＳＢホストコントローラとして論理実装し、前記物理ホストコントローラが制御するＵＳＢポートに対して、１つの仮想計算機に制御権を与えて前記物理ＵＳＢホストコントローラを介して前記ＵＳＢポートを排他的に利用させることにより達成される。

本発明によれば、物理ＵＳＢポートをある１つ仮想計算機が占有利用することができるように利用権限を切り替えているので、仮想計算機上のＯＳ上で動作するＵＳＢホストコントローラデバイスドライバが物理ＵＳＢホストコントローラを介してＵＳＢポートの利用を占有して行うことができる。

以下、本発明によるＵＳＢポートの共有制御方法の実施形態を図面により詳細に説明する。

図１はＵＳＢポートを切り替えて排他的に１つの仮想計算機にポート利用権限を割り当ててＵＳＢポートを共有している仮想計算機システムの構成を示すブロック図である。

図１に示す物理計算機１０には、複数の仮想計算機１００、２００が動作可能に構築されており、物理ＵＳＢホストコントローラ３００と、その制御ポートとしてのＵＳＢポート２１とが設けられている。そして、ＵＳＢポート２１には、Ｉ／ＯデバイスとしてのＵＳＢデバイス２０が接続可能とされている。この物理計算機１０は、図１には示していないが、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ等を備えて構成され、ＨＤＤ内に格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭを使用して実行することにより、ハイパバイザが構築され、このハイパバイザの制御により複数の仮想計算機が物理計算機１０の中に構築される。

仮想計算機１００、２００は、仮想ＵＳＢホストコントローラ１０２、２０２と、その制御ポートとしての仮想ＵＳＢポート１０３、２０３とを持ち、仮想計算機１００、２００内では、ＵＳＢホストコントローラデバイスドライバ１０４、２０４を備えるＯＳ１０１、２０１が動作する。そして、仮想ＵＳＢホストコントローラ１０２、２０２は、ＵＳＢホストコントローラデバイスドライバ１０４、２０４により制御される。

図１に示す例は、物理ＵＳＢホストコントローラ３００が、仮想ＵＳＢホストコントローラ１０２により透過制御され、仮想計算機１００におけるＯＳ１０１のＵＳＢホストコントローラデバイスドライバ１０４が、ＵＳＢポート２１を占有してＵＳＢデバイス２０を制御可能とされている状態を示している。このとき、仮想計算機２００のＯＳ２０１は、仮想ＵＳＢホストコントローラ２０２を制御するが、ＳＷ４００により、物理ＵＳＢホストコントローラ３００にはアクセスすることができないようにされており、このため、ＵＳＢホストコントローラデバイスドライバ２０４は、仮想ＵＳＢポート２０３の状態もＵＳＢデバイスに未接続の状態のままで変化させることはない。

ＳＷ４００は、物理計算機１０に備えられる物理ＵＳＢホストコントローラ３００とＵＳＢポート２１とを複数の仮想計算機の１つに占有させるための切り替え手段であり、物理計算機１０に接続されている制御端末３０からのシステム管理者による指示により制御されて、物理ＵＳＢホストコントローラ３００に対する透過制御権を、仮想ＵＳＢホストコントローラ２０１または２０２の一方に切り替えて、ＵＳＢポート２１を仮想計算機１００または２００の一方に使用させることができる。

図２は物理ＵＳＢホストコントローラを仮想化して仮想計算機に与えるためのハイパバイザの制御機能を説明する図である。

物理ＵＳＢホストコントローラ３００には、ＵＳＢ１．１ホストコントローラやＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラがあり、これらの機能を実現するために、ＵＳＢ１．１ホストコントローラレジスタ３０１、ＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラレジスタ３０２が設けられている。なお、図２にはＵＳＢ１．１ホストコントローラレジスタ３０１が複数存在するものとして示されているが、これは、図１に示している物理計算機１０に備えられる物理ＵＳＢホストコントローラ３００とＵＳＢポート２１との対が複数設けられた場合に、それらを使い分けるためである。また、物理ＵＳＢホストコントローラ３００には、同様な意味で複数のＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラレジスタ３０２が設けられてもよい。

そして、すでに説明したように物理計算機１０内には、複数の仮想計算機１００、２００を構築するハイパバイザ５００が構成される。ハイパバイザ５００は、ＵＳＢホストコントローラレジスタエミュレータ５１０と、ＵＳＢホストコントローラポート状態管理部５２０とを備えて構成される。ハイパバイザ５００のＵＳＢホストコントローラレジスタエミュレータ５１０は、物理ＵＳＢホストコントローラ３００を仮想化した仮想ＵＳＢホストコントローラ１０２、２０２を仮想計算機１００、２００に見せるため、物理ＵＳＢホストコントローラ３００が有するレジスタ３０１、３０２のレジスタ構造をエミュレートし、また、物理ＵＳＢホストコントローラ３００に対して仮想ホストコントローラ１０２または２０２との間でのレジスタアクセスの読み込みと書き込みの要求を透過的に通知して物理ＵＳＢホストコントローラ３００を制御する。

前述したＵＳＢホストコントローラレジスタエミュレータ５１０によるレジスタ構造のエミュレートにより、仮想計算機１００、２００から見える仮想ＵＳＢホストコントローラ１０２、２０２内には、仮想ＵＳＢ１．１ホストコントローラレジスタ１０２１、２０２１、仮想ＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラレジスタ１０２２、２０２２が備えられるようになる。

ＵＳＢホストコントローラポート状態管理部５２０は、物理ＵＳＢホストコントローラ３００のＵＳＢポート２１の管理、すなわち、仮想計算機に対してＵＳＢポート２１を使用させる物理制御権の制御を行う。これにより、ＵＳＢポート２１の利用についての排他制御をハイパバイザ５００で行うことが可能となる。

図３は物理ＵＳＢポートを１つの仮想計算機に物理ＵＳＢホストコントローラを介して排他的に使用させる場合の物理ＵＳＢホストコントローラレジスタの物理レジスタとハイパバイザの持つレジスタとの関係を示す図であり、この図を参照して、仮想計算機に対する物理ＵＳＢポートを制御する利用権限があるとき及び利用不可をレジスタエミュレーションにより実現する仕組みについて説明する。

図３において、物理ＵＳＢレジスタ６００は、図２に示す物理ＵＳＢホストコントローラ３００内のＵＳＢ１．１ホストコントローラレジスタ３０１、または、ＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラレジスタ３０２に相当するレジスタであり、ＰＣＩ仕様及びＵＳＢホストコントローラの公開仕様を元に定義されるＵＳＢレジスタである。そして、この物理ＵＳＢレジスタ６００は、Ｒｅａｄ属性レジスタ６０１とＲｅａｄ／Ｗｒｉｔｅ属性レジスタ６０２とそのポート状態を表示または制御するＰＯＲＴＳＣレジスタ６０３とにより構成される。

ハイパバイザ５００は、前述の物理ＵＳＢレジスタ６００を構成する各レジスタの投影であるレジスタ６１１〜６１３及びレジスタ６２１〜６２３を、それぞれ仮想計算機１００、２００にＵＳＢレジスタ６１１−１、６１２−１、６１３−１、及び、ＵＳＢレジスタ６２１−１、６２２−１、６２３−１として見せている。図３に示す例では、ハイパバイザ５００が、ＰＯＲＴＳＣレジスタ６１３を有効とするエミュレーション６４０、６５０を行い、物理ＵＳＢポートの利用権限を仮想ＵＳＢレジスタ６１０に与えている。

なお、図３には、ハイパバイザ５００内に仮想ＵＳＢレジスタ６１０、仮想ＵＳＢダミーレジスタ６２０が備えられているように示しているが、前述したように、ハイパバイザ５００は、物理ＵＳＢレジスタ６００を仮想計算機に見せているだけであるので、実体としての仮想ＵＳＢレジスタ６１０、仮想ＵＳＢダミーレジスタ６２０は有していない。

仮想計算機１００は、ＰＯＲＴＳＣレジスタ６１３を見ることにより、物理ＵＳＢポートを自計算機が占有して使用可能であることを知ることができる。そして、ＵＳＢデバイス２０がＵＳＢポート２１に装着されると、物理ＵＳＢホストコントローラ３００は、自コントローラ３００に備えられている図示しない割込み発生部から割込み命令を発して、ハイパバイザ５００にＵＳＢデバイスの装着を検知させる。前述の割込み命令は、ハイパバイザ５００の割込みコントローラ７００を介して、物理ＵＳＢポートを占有して使用可能となっている仮想計算機である仮想計算機１００の割込みコントローラ７１０−１に転送される。仮想計算機は、これにより、ＵＳＢデバイス２０がＵＳＢポート２１に装着され、ＵＳＢデバイス２０へのアクセスが可能になったことを知り、物理ＵＳＢレジスタ６００に対してＲｅａｄ／Ｗｒｉｔｅ要求を行って、ＵＳＢポートを制御し該ＵＳＢポートに装着されるＵＳＢデバイス２０を占有して使用を開始することができる。そして、仮想計算機１００は、ＵＳＢデバイス２０とのデータの送受信を、図３には示していないハイパバイザを介して設定されるデータ転送用の信号線を介して実行する。

一方、仮想計算機２００には、ハイパバイザ５００の仮想ＵＳＢダミーレジスタ６２０が割り当てられており、ハイパバイザ５００は、ＰＯＲＴＳＣレジスタ６２３を無効とするエミュレーション６５１を行って、割り込みコントローラ７２０−１からの報告を受けないようにしているため、このダミーレジスタは、仮想計算機２００からの要求あるいは報告について、物理レジスタ６００に影響を与えることはない。

図４は物理ポートの利用権限を仮想計算機に割当てるためのＵＳＢ開始オペレーションと、仮想計算機から利用権限を取り外すためのＵＳＢ停止オペレーションとにおけるハイパバイザでの処理動作を説明するフローチャートであり、次に、これについて説明する。

（１）いま、仮想計算機Ａは、物理レジスタ透過アクセス状態Ａ１にあり物理ＵＳＢポートを利用可能な状態にあり、仮想計算機Ｂは、仮想ＵＳＢダミーレジスタ割当Ｂ１の状態にあり、ＵＳＢポートの排他利用が不可能な状態にあるものとする。

（２）前述の状態で、制御端末３０を介して管理者等から仮想計算機ＡへのＵＳＢ停止オペレーション指示Ｏ１がハイパバイザＨに要求されると、ハイパバイザＨは、仮想ＵＳＢ停止エミュレーションＡ２を行うため、物理ＵＳＢレジスタの物理ＰＯＲＴＳＣレジスタを検査し、ＵＳＢポートが利用中の場合、ＵＳＢポートの利用を一時的に中止させるために、物理ＰＯＲＴＳＣレジスタにＳｕｓｐｅｎｄ設定と解除とを行い、物理ＵＳＢレジスタのＰＯＲＴＳＣレジスタにＵＳＢデバイスの停止書込み、仮想計算機１００とＵＳＢデバイス２０との間で行われているデータの送受信であるＵＳＢホストコントローラ通信を停止する処理（処理Ｐ１）を行って物理ＵＳＢへのアクセスを停止する。

（３）その後、ハイパバイザＨは、ＵＳＢポートをＤｉｓａｂｌｅして、仮想ＵＳＢレジスタ停止エミュレーション（処理Ｐ２）を実施する。次に、ハイパバイザＨは、仮想ＵＳＢダミーレジスタのＰＯＲＴＳＣレジスタに物理停止状態を反映して仮想計算機に割り当てる処理（処理Ｐ３）を行うことにより、仮想計算機ＡのＵＳＢドライバ制御からのＵＳＢポートを利用停止にする。この状態で、仮想計算機Ａと仮想計算機Ｂとは、仮想ＵＳＢダミーレジスタが割当てられた状態になりＵＳＢポートの利用はどちらの仮想計算機からも不可能となる。

（４）次に、制御端末３０を介して管理者等から仮想計算機ＢへのＵＳＢ開始オペレーション指示Ｏ２がハイパバイザＨに要求されると、ハイパバイザＨは、そのオペレーションにより、一旦物理ＵＳＢレジスタのＰＯＲＴＳＣレジスタに物理Ｉ／Ｏ接続状態を確認して物理ＵＳＢレジスタの初期化の処理（処理Ｐ４）を行った後、仮想ＵＳＢ開始エミュレーションＢ２を実施するために、仮想計算機Ｂに対する仮想ＵＳＢレジスタに物理ＵＳＢレジスタを投影する処理（処理Ｐ５）を行う。

（５）さらに、ハイパバイザＨは、物理ＵＳＢポートにＵＳＢデバイスが接続されていた場合、仮想ＵＳＢレジスタのポート接続エミュレーションの処理（処理Ｐ６）を実施し、ポートに接続された状態に合わせて、物理ＵＳＢレジスタを仮想計算機Ｂに割り当てる処理（処理Ｐ７）を行い、物理レジスタ透過アクセスＢ３を開始し、仮想計算機Ｂに対してＵＳＢポートの利用を開始させる。

前述した本発明の実施形態によれば、ハイパバイザが物理ＵＳＢレジスタを透過アクセス利用権のある１つの仮想計算機に対して割り当てを行うよう排他制御を行うことができるので、１つの仮想計算機がＵＳＢポートを占有して利用することが可能となる。

また、本発明の実施形態によれば、物理ホストコントローラからは複数の仮想計算機のそれぞれに仮想ＵＳＢホストコントローラが実装されているように見え、物理ＵＳＢポートは、ある１つの仮想計算機で利用権限を切り替えて利用することが可能になり、仮想計算機のＯＳは、ＵＳＢホストコントローラの再認識を必要とせず、ＵＳＢポートを占有的に使用することができるため、ハイパバイザによるＩ／Ｏ駆動制御に関わるエミュレーション処理を省き、それらによるオーバヘッドを削減することができる。

また、本発明の実施形態によれば、ＵＳＢポートへのＵＳＢデバイスの装脱着の物理ホストコントローラへの偽装書換えと仮想ＵＳＢホストコントローラのエミュレーションを実装する開発を、全ホストコントローラ仕様をエミュレーションすることなく行うことができるので、開発に関わる工数、費用、時間を低減することができ、コストダウンを図ることができる。

前述した本発明の実施形態におけるハイパバイザでの処理は、プログラムにより構成し、物理計算機が備えるＣＰＵに実行させることができ、また、それらのプログラムは、ＦＤ、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の記録媒体に格納して提供することができ、また、ネットワークを介してディジタル情報により提供することができる。

前述で説明した本発明の実施形態は、サーバシステムにおける仮想計算機上でのＵＳＢの利用形態を考慮した場合、一般的には、ＯＳのインストールやドライバのインストールまたはユーザデータの入出力のための用途として使用されるケースを想定するが、常にＵＳＢポートにＵＳＢデバイスを装着して運用する必要性がない場合、ＵＳＢデバイスを一時的な外部媒体として扱うことが想定されるため、管理者からのオペレーションによるＵＳＢポートの利用を切り替えることによりＵＳＢデバイスを利用することは有効的な利用方法である。

また、前述した本発明の実施形態は、物理計算機に接続されるＵＳＢデバイスの仮想計算機間での利用変更の際に、ＯＳの再起動またはＵＳＢホストコントローラの再検索を必要としないためデバイスドライバを安定して利用することができる。

ＵＳＢポートを切り替えて排他的に１つの仮想計算機にポート利用権限を割り当ててＵＳＢポートを共有している仮想計算機システムの構成を示すブロック図である。 物理ＵＳＢホストコントローラを仮想化して仮想計算機に与えるためのハイパバイザの制御機能を説明する図である。 物理ＵＳＢポートを１つの仮想計算機に物理ＵＳＢホストコントローラを介して排他的に使用させる場合の物理ＵＳＢホストコントローラレジスタの物理レジスタとハイパバイザの持つレジスタとの関係を示す図である。 物理ポートの利用権限を仮想計算機に割当てるためのＵＳＢ開始オペレーションと、仮想計算機から利用権限を取り外すためのＵＳＢ停止オペレーションとにおけるハイパバイザでの処理動作を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ 物理計算機
２０ ＵＳＢデバイス
２１ ＵＳＢポート
３０ 制御端末
１００、２００ 仮想計算機
１０１、２０１ ＯＳ
１０２、２０２ 仮想ＵＳＢホストコントローラ
１０２１、２０２１ 仮想ＵＳＢ１．１ホストコントローラレジスタ
１０２２、２０２２ 仮想ＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラレジスタ
１０３、２０３ 仮想ＵＳＢポート
１０４、２０４ ＵＳＢホストコントローラデバイスドライバ
３００ 物理ホストコントローラ
３０１ ＵＳＢ１．１ホストコントローラレジスタ
３０２ ＵＳＢ２．０拡張ホストコントローラレジスタ
５００ ハイパバイザ
５１０ ＵＳＢホストコントローラレジスタエミュレータ
５２０ ＵＳＢホストコントローラポート状態管理部
６００ 物理ＵＳＢレジスタ
６０１、６１１、６１１−１、６２１、６２１−１ Ｒｅａｄレジスタ
６０２、６１２、６１２−１、６２２、６２２−１ Ｒｅａｄ／Ｗｒｉｔｅレジスタ
６０３、６１３、６１３−１、６２３、６２３−１ ＰＯＲＴＳＣレジスタ
６１０、６２０ 仮想ＵＳＢレジスタ
７００、７１０−１、７２０−１ 割込みコントローラ

Claims (6)

1. 物理計算機内に構成される複数の仮想計算機に、物理計算機に実装される物理ＵＳＢホストコントローラを共有利用させるＵＳＢポートの共有制御方法において、
   前記物理計算機は、複数の仮想計算機を構成するハイパバイザを有し、該ハイパバイザは、前記物理ＵＳＢホストコントローラを前記複数の仮想計算機上に仮想ＵＳＢホストコントローラとして論理実装し、前記物理ホストコントローラが制御するＵＳＢポートに対して、１つの仮想計算機に制御権を与えて前記物理ＵＳＢホストコントローラを介して前記ＵＳＢポートを排他的に利用させることを特徴とするＵＳＢポートの共有制御方法。
2. 前記ハイパバイザは、ＵＳＢホストコントローラポート管理手段を備え、前記複数の仮想計算機に仮想ＵＳＢホストコントローラとして割り当てる際、ＵＳＢポートを利用可能に割り当てる仮想計算機と利用不可とする仮想計算機との利用状態を管理することを特徴とする請求項１記載のＵＳＢポートの共有制御方法。
3. 前記ハイパバイザは、仮想計算機の仮想ＵＳＢホストコントローラがＵＳＢポートを利用を可能にするために、前記物理ＵＳＢホストコントローラのポート状態を仮想ホストコントローラに対して、前記ＵＳＢデバイスの装着時にポート接続エミュレーションを行って前記仮想計算機上のＯＳに対して前記ＵＳＢポートへのＵＳＢデバイスの装着を認識させ、前記物理ＵＳＢホストコントローラに接続されている前記ＵＳＢデバイスが前記ＵＳＢポートから引き抜かれたとき、ポート切断エミュレーションを行って、その仮想計算上のＯＳに物理ＵＳＢポート接続状態の解除を認識させることを特徴とする請求項１記載のＵＳＢポートの共有制御方法。
4. 前記ＵＳＢポートを利用可能に割り当てられた仮想計算機は、前記物理ポートの割り当て解除前まで、当該仮想計算機上のＯＳが前記ＵＳＢポート装着された前記ＵＳＢデバイスを占有して、直接Ｉ／Ｏ駆動を行うことが可能であることを特徴とする請求項２記載のＵＳＢポートの共有制御方法。
5. 前記ハイパバイザは、ＵＳＢポートへのＵＳＢデバイスの抜き差しを検知し、仮想ホストコントローラを制御することにより、前記ＵＳＢデバイスの装着、接続解除を前記仮想計算機に認識させることを特徴とする請求項３記載のＵＳＢポートの共有制御方法。
6. 前記ハイパバイザは、仮想ＵＳＢホストコントローラの制御範囲のＵＳＢポートに対する前記ＵＳＢデバイスの装脱着を擬似すると共にその状態管理を行うことにより、前記仮想計算機のＯＳに対して、物理ＵＳＢホストコントローラが存在しているように見せることを特徴とする請求項３記載のＵＳＢポートの共有制御方法。