USB设备虚拟化论述

内存虚拟与I/O设备一样，内存的地址也是固定的，一般来说，内存的地址都是从零开始并且是连续的。内存只能有一个从零开始的地址，如何产生多个从零开始的地址，以满足多个虚拟机使用的目的，同时还要让内在的利用率最大，所以虚拟机不可能将内存分成多个不同的连续大容量的地址空间。一般采取的方法是：将客户端内存地址转换成宿主机的物理地址，此时，客户机内存仍然采用段页式管理模式，此时就可以将客户机的虚拟地址转化为现实的物理地址。处理器虚拟化在计算机中，处理器是整个硬件的核心，对处理器进行虚拟化操作，主要虚拟操作的对象有：指令集、寄存器、地址翻译系统、保护机制和中断异常机制。虚拟机可以虚拟出来功能及参数相同的处理器，这与主机里面的CPU数量没有任何关系。

usb设备及驱动框架

USB设备当前的计算配置，USB设备都是连接在PCI总线上，对于系统查找USB设备，都是通过枚举的方式来完成。PCI总线在描述USB设备以前，首先对主机内部的PCI总线进行描述，PCI总线呈现出树形结构，其结构。在PCI总线上的设备，从加电之后，开始以枚举的形式进行查找相关设备，总线的值为0，找到设备之后，依次加1，最多不能超过255，这同时也对PCI总线挂载的硬件设备总数进行了限制。USB串行总线通用串行总线称之为USB，是当前最流行的总线传输标准。根据传输速率的不同，分为低速USB、全速USB和高速USB3种。其接口可以在各种不同的设备上进行应用操作。它是接PCI总线的USBHOST为根，在此基础上进行USB设备的连接，也可以连接USBHUB，而USBHUB下面又可以连接USB及USBHUB，形成一个典型的树型结构。需要说明的是：一个USBHUB下面最多只能接5个HUB及USB设备。其拓扑结构如图2所示。USB设备驱动框架整个计算机体系是按照分层来设计的，USB设备也是采用分层结构。在整个USB设备体系中，USB的驱动是在各个不同的实体中完成的。在用户应用程序到USB电缆之间，要经过USB设备驱动程序、USBD模块和HCD模块。其中USBD模块是整个体系的核心，它主要负责USB设备的带宽分配和USB总线管理，为用户的应用程序提供相应的接口。具体的体系结构如图3所示。

USB设备虚拟化

利用软件对硬件进行模拟是目前IT行业最常见的方法，通过虚拟机将USB设备有效地映射在对应的应用程序或操作系统上。对USB设备进行虚拟化，最直接最有效的方法就是将USB设备直接分配给虚拟机，而不是通过VMM对USB设备进行管理。在每次虚拟机启动以前，需要把USB设备从虚拟机中进行注销，通过VMM自带的驱动对每个USB设备重新注册。本文以KVM+LINUX的环境为例，通过对KVM进行修改的方法来实现。其具体的过程如下：首先，当虚拟机启动时，所有的USB设备并没有分配给任何虚拟机，假如发现已经分配或部分分配情况出现，则直接报错，虚拟机将注销，重新启动。当没有分配，则开始申请KVM内核的结构体，同样申请不成功，则直接报错;申请成功，要根据总线号和设备号，在PCI总线上找到对应的设备，并返回该设备的结构体，然后检查该设备是否在主机中被禁止，假如禁止，按出错处理;没被禁止，按照返回的描述结构体，将其分配至对应的链表之中，最后建立I/O页表，并将其映射到虚拟机的地址空间当中，最后将链接指定到对应的虚拟机。

总结

针对USB设备虚拟化展开研究，通过对USB设备和虚拟技术的论述，利用最直观的直接分配法进行虚拟机的设计。由于篇幅所限，对于USB虚拟化技术的其他方法并没有给出，但通过本文的描述，可以让读者对USB设备虚拟化有进一步的了解，对以后的研究工作有积极的作用。

作者：李世杰 单位：无锡市建设局