[發明專利]基于設備訪存管理技術的虛擬機系統及其設備訪問方法

無效

• 申請號: 200810044831.3
• 申請日: 2008-02-27
• 公開（公告）號: CN101520738A
• 公開（公告）日: 2009-09-02
• 發明（設計）人: 黃歆媚
• 申請（專利權）人: 黃歆媚
• 主分類號: G06F9/455
• 分類號: G06F9/455
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種虛擬機系統，尤其涉及一種基于設備訪問存儲器管理技術的虛擬機系統及其設備訪問控制方法。

背景技術

隨著計算機系統的發展，現代計算機系統的計算能力已經無法得到充分發揮，虛擬化技術得到廣泛應用。虛擬化技術使一臺物理平臺上可以運行多個虛擬機，并在每一個虛擬機中運行一個單獨的操作系統。但是，虛擬化技術會帶來性能上的損失，特別是對硬件設備的訪問成為了整個系統的瓶頸。因此，如何提高虛擬機系統性能，尤其是虛擬機對設備訪問的效率是目前急需解決的問題。

當前主流的設備訪問控制方法有軟件模擬和采用新的設備訪問控制接口。最廣泛使用的軟件模擬方式，利用軟件模擬設備的行為，客戶操作系統的行為與在非虛擬化平臺上普通操作系統一致。其最大的缺陷是會導致性能下降，一方面是由模擬方式本身導致；另一方面主要由大量切換開銷所導致。采用新的設備訪問控制接口是另一種主流的設備訪問控制方式，減少了一部分切換開銷，性能比軟件模擬方式有所提高，但其最大的缺點是需要修改客戶操作系統及驅動程序，不利于實現。

設備訪問控制關鍵在于解決設備與虛擬機數據交換的問題。設備直接內存存取和以及中斷請求是與之相關的最重要的兩個部分。為此，必須首要解決這兩個、方面的隔離、保護以及性能問題。

Intel?Vt-d技術是一種輸入輸出的存儲器管理技術，通過在內存控制器中樞的中內置設備直接內存訪問控制和中斷請求虛擬化控制硬件，用于在本發明中實現新型的設備訪問控制方式，在虛擬環境中大大地提升輸入輸出的可靠性、靈活性與性能。

與傳統的輸入輸出存儲器管理單元相比，Vt-d除擁有其地址轉換功能外，還擁有其不具備的設備直接內存訪問隔離功能。Vt-d提供了一項設備直接內存訪問重映射(DMARemapping)技術實現了多個設備直接內存訪問保護區域的存在，從而保障了設備訪問存儲器的安全性，最終實現了多個設備直接內存訪問虛擬化。

Vt-d實現的中斷重映射(interrupt-remapping)架構通過重新定義消息中斷的格式來解決中斷隔離。輸入輸出設備會產生非常多的中斷請求，必須被正確地轉發到不同的虛擬機上。傳統設備的中斷請求可以具有兩種方式：一種是通過中斷控制器的中斷請求，另一種是通過設備直接存儲器訪問寫請求直接發送出去的消息中斷。由于需要在DMA請求內嵌入目標內存地址，因此需完全訪問所有的內存地址，不能實現中斷隔離。經過Vt-d的中斷重映射技術修改的消息中斷格式，仍然是一個直接寫存儲器請求的形式，但不嵌入目標內存地址，而是一個消息編號。通過維護一個表結構，硬件可以通過消息編號區分虛擬機空間。

發明內容

本發明基于設備訪存管理技術，提供了一種虛擬機系統，以提高虛擬機系統中設備訪問效率，進而提高虛擬機系統的性能。

為了描述方便，我們首先對所用術語作如下定義。

虛擬機監控器：指在虛擬系統控制整個系統的所有物理資源及維護各虛擬機；

虛擬機：指是一個受保護的、獨立的、完整執行環境；

客戶操作系統：指在虛擬機內運行的獨立操作系統。

機器物理地址：指用于訪問實際物理機器內存器的地址空間，與非虛擬化系統中物理地址概念相同；

客戶物理地址：虛擬機往往認為其所擁有的內存地址空間總是從0開始的連續地址空間，稱為客戶物理地址，虛擬機的物理地址并不等于的機器物理地址；

本發明提供的虛擬機系統包括一個虛擬機監控器、支持設備輸入輸出存儲器管理技術的底層硬件、設備控制模塊和若干個虛擬機，其中虛擬機監控器中包括調度不同虛擬機在處理器上運行的調度模塊、完成虛擬系統內存管理的內存虛擬化模塊、中斷虛擬化模塊、指令解析器、用于向特權實體提供服務的特權調用接口和設備輸入輸出存儲器管理單元的控制模塊。

在本發明的虛擬機系統中，一個物理設備有一個設備控制模塊與之對應。設備控制模塊是一個特權模塊，可以向虛擬機監控器發起特權調用、接受并執行由虛擬機監控器轉發而來的設備端口訪問指令、探測設備狀態和隱藏并且虛擬化設備資源等。

在本發明的虛擬機系統中，所有物理輸入輸出設備均可直接分配給一個虛擬機。該虛擬機采用本發明提供的設備訪問方式包括：