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CN111522670A - 一种用于Android系统的GPU虚拟化方法、系统及介质 - Google Patents

一种用于Android系统的GPU虚拟化方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及GPU虚拟化与虚拟机技术，并具体公开了一种用于Android系统的GPU虚拟化方法、系统及介质。该方法通过配置Android系统的虚拟机，使其在需要处理渲染任务时，调用OpenGL库的API并通过virtio‑gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；以及通过配置具有GPU硬件资源的虚拟机，使其通过virtio‑gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，以及通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务。因此，本发明能够在Android系统没有GPU硬件资源的情况下，通过GPU虚拟化快速地实现复杂的图形渲染，而且，并没有改变Android系统的图形绘制框架，不仅保证了系统的兼容性，还是实现了跨芯片平台的应用。

Description

一种用于Android系统的GPU虚拟化方法、系统及介质
技术领域
本发明涉及GPU虚拟化与Android系统开发技术，具体涉及一种用于Android系统的GPU虚拟化方法、系统及介质。
背景技术
Hypervisor叫做虚拟机监视器(Virtual Machine Monitor)，是一种运行其他操作系统的操作系统。Hypervisor运行在物理硬件和操作系统之间的中间层操作系统，可允许多个操作系统和应用共享一套基础物理硬件，运行在Hypervisor之上的操作系统称之为客户机操作系统(Guest OS)。
由于多个Guest OS共享一套基础物理硬件，在硬件资源充足的情况下，每个GuestOS可单独使用一个独立的物理硬件资源，如每个Guest OS各自使用一块GPU硬件。当硬件资源不足的情况下，则需要将一个物理硬件进行虚拟化，供给多个Guest OS使用，即实际上是多个Guest OS竞争一个GPU硬件资源。
目前，市场上的部分高端GPU一般会自带有硬件虚拟化的功能，该功能的实现是通过硬件指令将一块GPU硬件虚拟化为多个独立的GPU供多个Guest OS使用，从而在GPU内部实现对GPU资源的分配和调用，不过由于GPU的硬件虚拟化必须得到芯片厂商的支持，受限于平台和硬件。虽然，还可以通过软件虚拟化GPU，但大多GPU软件虚拟化方法都是应用于linux系统，未有应用于Android系统。
因此，有必要设计一种适用于Android系统的GPU虚拟化方法。
发明内容
本发明的目的在于：基于Hypervisor技术一个处理器运行两个操作系统(其中一个系统为Android)或多个操作系统，在只Android系统没有可供使用的GPU硬件资源的前提下，提供一种适用于Android系统的GPU虚拟化方法，能够在Android端通过虚拟GPU访问后端硬件GPU实现图形的渲染。
为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种用于Android系统的GPU虚拟化方法，其特征在于，包括：
配置Android系统的虚拟机在其需要处理渲染任务时，调用其OpenGL库的API并将相应渲染指令发送至其virtio-gpu；
配置具有GPU硬件资源的虚拟机，通过其virtio-gpu驱动接收由其它Android系统的虚拟机的virtio-gpu发送的渲染指令，以及解析所接收到的每个渲染指令，并相应地调用其OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务。
根据一种具体的实施方式，本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法还包括，配置Android系统的虚拟机的OpenGL库为Mesa库。
根据一种具体的实施方式，本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法还包括，配置Android系统的虚拟机的gralloc模块，使所述gralloc模块通过所述virtio-gpu分配共享内存。
根据一种具体的实施方式，本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法还包括，配置Android系统的虚拟机的libEGL库文件，以在调用其OpenGL库的API之前，判定是否有GPU硬件资源存在。
根据一种具体的实施方式，本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法中，Android系统的虚拟机与具有GPU硬件资源的虚拟机之间的virtio-gpu数据交互通过Hypervisor实现。
基于与本发明公开的用于Android系统的GPU虚拟化方法相同的发明构思，在具体实施的一方面，本发明还提供一种用于Android系统的GPU虚拟化系统，其包括虚拟机和主机；其中，所述主机用于运行Hypervisor，以实现Android系统的虚拟机与具有GPU硬件资源的虚拟机之间的virtio-gpu数据交互；
Android系统的虚拟机，用于在需要处理渲染任务时，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；
具有GPU硬件资源的虚拟机，用于通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，以及通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务。
基于与本发明公开的用于Android系统的GPU虚拟化方法相同的发明构思，在具体实施的一方面，本发明还提供一种图像渲染方法，包括以下步骤：
Android系统的虚拟机接收到渲染任务后，调用其OpenGL库的API并将相应渲染指令发送至其virtio-gpu；
具有GPU硬件资源的虚拟机通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，并通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务，并将渲染结果返回至相应的Android系统的虚拟机。
此外，本发明在具体实施的一方面，还提供一种可读存储介质，其上存储有一个或多个程序，其特征在于，该一个或多个程序被一个或多个处理器执行时实现本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法或本发明的图像渲染方法。
综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法，通过配置Android系统的虚拟机，使其在需要处理渲染任务时，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；以及，通过配置具有GPU硬件资源的虚拟机，使其通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，以及通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务。因此，本发明能够在Android系统没有GPU硬件资源的情况下，通过GPU虚拟化快速地实现复杂的图形渲染，而且，并没有改变Android系统的图形绘制框架，不仅保证了系统的兼容性，还是实现了跨芯片平台的应用。
附图说明：
图1为本发明用于Android系统的GPU虚拟化系统的架构图；
图2为物理GPU与本发明的虚拟GPU的渲染过程示意图；
图3为本发明Android系统的虚拟机初始化的流程示意图；
图4为本发明Android系统的虚拟机渲染过程的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
如图1所示，本发明用于Android系统的GPU虚拟化系统的架构为在硬件上裸机运行两个Guest OS，其中前端的系统为Android，后端的系统为linux系统，且由一个Hypervisor对Guest OS进行控制。
本发明用于Android系统的GPU虚拟化系统主要包括：前端Guest OS(即不具有GPU硬件资源的Android系统的虚拟机，可以为多个)，后端Guest OS(即具有GPU硬件资源的虚拟机)，主机上运行的Hypervisor，后端Guest OS的图形命令处理服务，以及相应的硬件资源。
具体的，所述主机用于运行Hypervisor，以实现Android系统的虚拟机与具有GPU硬件资源的虚拟机之间的virtio-gpu数据交互；即前端Guest OS的virtio-gpu与后端Guest OS的通信管理机制由Hypervisor构建，从而实现前端Guest OS与后端Guest OS之间的virtio-gpu通信。
其中，在前端Guest OS，App经由OpenGL库(mesa库)通过virtio-gpu访问后端Guest OS的物理GPU。Mesa库是开源的OpenGL库，支持EGL、OpenGLES接口，支持绝大部分型号的GPU，包括virtio-gpu。
后端Guest OS的linux kernel在4.4以上的版本支持virtio-gpu，通过标准的drm(直接渲染管理器Direct Rendering Manager)是给予DRI(基层直接渲染)客户端直接访问硬件的内核模块的接口，支持渲染及图形内存管理功能。
因此，本发明用于Android系统的GPU虚拟化系统中，virtio-gpu由前端显卡和后端显卡组成，前端显卡(virtio-gpu驱动)运行在Android的内核，后端显卡(virtio-gpu驱动)运行在linux的内核。
而且，前端Guest OS被配置为在需要处理渲染任务时，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至后端Guest OS。
后端Guest OS被配置为通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，以及通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理前端Guest OS的渲染任务。
因此，前端Guest OS调用的OpenGL命令，经过virtio-gpu转换传递，从而在后端Guest OS代理前端Guest OS的OpenGL绘制命令，最终由后端Guest OS的OpenGL直接访问物理GPU，实现虚拟GPU访问物理GPU。
如图2所示，前端Guest OS上应用访问GPU是通过标准图形接口OpenGL，应用对使用的GPU变化无感。与原生Android对比，只有OpenGL库和驱动的区别，即物理GPU使用厂商提供的OpenGL库，虚拟GPU使用的OpenGL库为开源的mesa库，实际上，对系统渲染流程和框架影响不大。
具体的，在本发明用于Android系统的GPU虚拟化方案中，还进一步配置前端GuestOS的gralloc模块(图形缓冲区管理器)，使该gralloc模块通过virtio-gpu分配共享内存。即gralloc模块通过virtio-gpu分配共享内存，可以确保前端Guest OS和后端Guest OS之间在渲染过程中图像零拷贝。
在本发明用于Android系统的GPU虚拟化方案中，还进一步配置前端Guest OS的libEGL库文件，以在调用libandroid_mesa之前，判定是否有GPU硬件资源存在。具体的图3所示，前端Guest OS的初始化流程包括：
步骤1，应用启动，hwui(负责Android渲染任务分发)初始化，包括独立的绘制线程和OpenGL的初始化(libEGL的初始化)。
步骤2，libEGL是Android实现的OpenGL的代理，初始化时判定是否有物理GPU存在，如果没有，则选择加载mesa库。如果有，则正常进入图2所示的物理GPU的初始化流程，相关流程为现有技术方案，此处不再赘述。
步骤3，mesa初始化，打开virtio-gpu的drm设备，初始化virtio-gpu。
再如图4所示，前端Guest OS的渲染过程包括：
步骤1，Android应用更新，触发渲染(即需要处理渲染任务)，调用hwui的draw(绘制)。
步骤2，hwui把应用的绘制请求和参数转换成OpenGL接口，通过mesa下发绘制命令。
步骤3，mesa把OpenGL的接口及参数打包，发送数据到virtio-gpu驱动。
步骤4，前端Guest OS的virtio-gpu与后端Guest OS的virtio-gpu进行通信，将相应渲染指令发送至后端Guest OS后端。
然后，后端Guest OS通过virtio-gpu接收到前端Guest OS的virtio-gpu发送的渲染指令，然后通过后端Guest OS的图形命令处理服务解析所接收到的渲染指令，从而相应地调用OpenGL库的API，然后，通过具有的GPU硬件资源处理前端Guest OS的渲染任务。
此外，在具体实施的一方面，即在本发明用于Android系统的GPU虚拟化之上，增加执行渲染任务的步骤，从而实现图像渲染，该图像渲染方法包括以下步骤：
Android系统的虚拟机接收到渲染任务后，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；
具有GPU硬件资源的虚拟机通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，并通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务，并将渲染结果返回至相应的Android系统的虚拟机。
而且，本发明在具体实施的一方面，还提供一种可读存储介质，如ROM存储设备、移动硬盘、U盘或者光盘等存储器，将一个或多个程序写入存储器中，并一个或多个处理器来执行该存储器中的程序。如此，当该存储器中的程序被处理器执行时实现本发明用于Android系统的GPU虚拟化方法或本发明的图像渲染方法
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于Android系统的GPU虚拟化方法，其特征在于，包括：
配置Android系统的虚拟机，使其在需要处理渲染任务时，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；
配置具有GPU硬件资源的虚拟机，使其通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，以及通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务。
2.如权利要求1所述的一种用于Android系统的GPU虚拟化方法，其特征在于，配置Android系统的虚拟机的OpenGL库为Mesa库。
3.如权利要求1所述的一种用于Android系统的GPU虚拟化方法，其特征在于，配置Android系统的虚拟机的gralloc模块，使所述gralloc模块通过所述virtio-gpu分配共享内存。
4.如权利要求1所述的一种用于Android系统的GPU虚拟化方法，其特征在于，配置Android系统的虚拟机的libEGL库文件，以在调用其OpenGL库的API之前，判定是否有GPU硬件资源存在。
5.如权利要求1～4任一项所述的一种用于Android系统的GPU虚拟化方法，其特征在于，Android系统的虚拟机与具有GPU硬件资源的虚拟机之间的virtio-gpu数据交互通过Hypervisor实现。
6.一种用于Android系统的GPU虚拟化系统，其特征在于，包括虚拟机和主机；其中，所述主机用于运行Hypervisor，以实现Android系统的虚拟机与具有GPU硬件资源的虚拟机之间的virtio-gpu数据交互；
Android系统的虚拟机，用于在需要处理渲染任务时，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；
具有GPU硬件资源的虚拟机，用于通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，以及通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，以使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务。
7.一种图像渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：
Android系统的虚拟机接收到渲染任务后，调用OpenGL库的API并通过virtio-gpu将相应渲染指令发送至具有GPU硬件资源的虚拟机；
具有GPU硬件资源的虚拟机通过virtio-gpu接收其它Android系统的虚拟机发送的渲染指令，并通过解析所接收到的渲染指令，而相应地调用OpenGL库的API，使其具有的GPU硬件资源处理其它Android系统的虚拟机的渲染任务，并将渲染结果返回至相应的Android系统的虚拟机。
8.一种可读存储介质，其上存储有一个或多个程序，其特征在于，该一个或多个程序被一个或多个处理器执行时实现权利要求1～5任一项所述的用于Android系统的GPU虚拟化方法或如权利要求7所述的图像渲染方法。
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