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Windows98下硬件中斷虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

出處:電子技術(shù)應(yīng)用 發(fā)布于:2011-09-05 13:16:52

 

  美國(guó)微軟公司出品的Windows98以其友好的圖形用戶界面,在我國(guó)贏得了廣泛的市場(chǎng)。在給廣大辦公環(huán)境工作人員帶來方便的同時(shí),也給不少工程技術(shù)人員帶來了一些麻煩。一些原本在DOS下很容易編出的控制硬件的程序,現(xiàn)在在Windows98下就不那么容易實(shí)現(xiàn)了。作為一個(gè)完善的操作系統(tǒng)也必須能控制硬件,象DOS那樣直接與硬件打交道是Windows98不提倡的。它需要開發(fā)專門的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,即通過一系列的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來管理硬件,如:進(jìn)行中斷響應(yīng)、I/O端口讀寫或直接存儲(chǔ)器存取(DMA)。Windows98內(nèi)核管理機(jī)制非常復(fù)雜,因而編寫虛擬驅(qū)動(dòng)程序也變得十分困難,要想編寫虛擬驅(qū)動(dòng)程序,就必須對(duì)Windows98的內(nèi)核有所了解。

  1 Windows98的內(nèi)核管理機(jī)制

  在Windows95三年后推出的Windows98雖然擴(kuò)充了許多新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)特性,如對(duì)AGP、USB、DVD的支持,但在內(nèi)核上卻和Windows95基本一樣,它們都是基于DOS內(nèi)核的操作系統(tǒng)。Windows98系統(tǒng)(Kernel)由虛擬機(jī)管理器(VMM)和VxD(Virtual   Device Driver)的集合組成。Kernel提供了900多個(gè)服務(wù)函數(shù)來管理內(nèi)存、控制物理設(shè)備、處理中斷、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、管理文件系統(tǒng)等,這些服務(wù)函數(shù)都可以被自己寫的VxD調(diào)用。虛擬機(jī)(VM)是一個(gè)可運(yùn)行的任務(wù),包含應(yīng)用程序、支撐軟件、內(nèi)存和CPU寄存器。在Windows98下有系統(tǒng)虛擬機(jī)和DOS虛擬機(jī)兩種。虛擬機(jī)管理器(VMM)是在系統(tǒng)級(jí)運(yùn)行的32位保護(hù)模式操作系統(tǒng),它運(yùn)行于Ring0,而且不可重入。VMM主要功能是創(chuàng)建、運(yùn)行、監(jiān)控和終止虛擬機(jī)。VxD即虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,是用來擴(kuò)展Windows操作系統(tǒng)功能的一類程序。由于VxD運(yùn)行在系統(tǒng)的Ring0級(jí),擁有與操作系統(tǒng)同等的級(jí)別,所以我們可利用它來支持硬件設(shè)備的管理。虛擬可編程中斷控制器(VPICD)是負(fù)責(zé)管理所有硬件中斷事件的程序,它本身也是一種VxD,能提供缺省的中斷處理函數(shù)或者允許其它VxD重載中斷處理函數(shù)。

  2 Windows98下應(yīng)用程序權(quán)限級(jí)別

  Intel的80x86CPU系列芯片可在三種模式下工作:實(shí)模式、保護(hù)模式和V86模式。實(shí)模式是MS-DOS的運(yùn)行環(huán)境。Windows98只利用了兩種模式:保護(hù)模式和V86模式。保護(hù)模式給我們帶來很多優(yōu)越性,如應(yīng)用程序不再受1M內(nèi)存的限制,理論上,在保護(hù)模式下,CPU可以進(jìn)行4096M內(nèi)存的尋址。但在保護(hù)模式下,所有的應(yīng)用程序都有權(quán)限級(jí)別(Privilege Level)。權(quán)限級(jí)別按優(yōu)先次序分為四等:0、1、2、3。0級(jí)是別,操作系統(tǒng)就運(yùn)行在0級(jí),運(yùn)行在Ring0級(jí)的應(yīng)用程序可以執(zhí)行所有的指令并可直接對(duì)硬件、中斷和文件系統(tǒng)進(jìn)行物理訪問。如果應(yīng)用程序擁有的權(quán)限級(jí)別是第3級(jí),那么它能執(zhí)行的指令是有限的,對(duì)硬件的很多直接操作是不能實(shí)現(xiàn)的。在Windows中,一般的應(yīng)用程序是運(yùn)行在Ring3級(jí)的(如用Visual C++、Borland C++、Visual Basic、Delphi、C++ Builder等SDK工具開發(fā)出的應(yīng)用程序)。它們享有的權(quán)限是的,受到了保護(hù)模式的摫;它們沒有權(quán)限去繞過操作系統(tǒng)直接對(duì)硬件操作。

  有了權(quán)限級(jí)別,操作系統(tǒng)就有機(jī)會(huì)在中斷和I/O操作上產(chǎn)生撔檳鈹效果。由于操作系統(tǒng)的權(quán)限為0級(jí),它就可以捕獲權(quán)限不為0級(jí)的應(yīng)用程序的中斷和I/O請(qǐng)求,然后建立緩沖隊(duì)列,再一一進(jìn)行串行處理。為了使自己的應(yīng)用程序也能直接處理硬件,就需要編寫專門的VxD。由于VxD是作為操作系統(tǒng)的組件運(yùn)行于第0級(jí),因而可以利用它來捕獲特定的硬件操作,完成我們需要的任務(wù)。

  3 Windows98下虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)工具和基本編程方法

  微軟為驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)提供了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工具箱(DDK),基于匯編語(yǔ)言的編程方式和許多VMM服務(wù)都使用寄存器的調(diào)用方式,確實(shí)非常難學(xué),沒有深厚的匯編語(yǔ)言和硬件基礎(chǔ)很難在短時(shí)間里開發(fā)出自己的VxD。

  程序員可利用C或C++語(yǔ)言編寫自己的VxD,而不必操心許多繁瑣的細(xì)節(jié)。它的基本編程方法是:用VToolsD自帶的Quick VxD程序快速生成程序框架,在VC++或Borland C++中打開此框架的工程文件,并寫進(jìn)特定的處理代碼,編譯后就可得到所需的VxD文件。

  4 一個(gè)中斷程序?qū)嵗?/STRONG>

  用VToolsD 2.03、VC++5.0為自制的PC/XT總線擴(kuò)展卡開發(fā)了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Audcard.vxd。該卡每20ms申請(qǐng)中斷,中斷由應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)載入系統(tǒng)的Audcard.vxd響應(yīng)并加以處理。中斷服務(wù)程序ISR(InterruptService Routine)結(jié)束后,調(diào)用函數(shù)Shell_PostMessage()向應(yīng)用程序窗口發(fā)送自定義消息。應(yīng)用程序接受消息后,再通過函數(shù)DeviceIoControl()與VxD的接口函數(shù)OnW32DeviceIoControl( )互傳緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。程序結(jié)束即可動(dòng)態(tài)卸載VxD。

  當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),處理器轉(zhuǎn)換為ring0級(jí)保護(hù)模式。Windows系統(tǒng)并不像DOS那樣通過中斷描述符表IDT(InterruptDescriptorTable)直接指向中斷處理過程,而是由IDT入口指向VMM中的程序。該程序?qū)⑴袛嗍欠駷橹袛嗾{(diào)用,如果是,則把中斷控制權(quán)交給虛擬可編程中斷控制器VPICD(VirtualProgrammable Interrupt ControllerDevice),VPICD實(shí)際上是一個(gè)重要的VxD。VPICD再將其交給另一個(gè)注冊(cè)了該中斷的VxD(如Audcard.vxd)來處理。VxD程序是通過調(diào)用VPICD服務(wù)VPICD_Virtualize_IRQ來注冊(cè)中斷的。

  虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Audcard.vxd的部分源代碼Audcard.h和Audcard.cpp在網(wǎng)上,此應(yīng)用程序使用了下列函數(shù):CreateFile()動(dòng)態(tài)加載VxD、CloseHandle()并動(dòng)態(tài)卸載VxD、PreTranslateMessage()截獲消息、DeviceIoControl()與VxD互傳緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Audcard.vxd經(jīng)調(diào)試后工作正常,未發(fā)生過任何丟失數(shù)據(jù)或死機(jī)的現(xiàn)象。

  下面是虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Audcard.vxd的部分源代碼Audcard.h和Audcard.cpp,限于篇幅,由QuickVxD自動(dòng)生成的Audcard.mak未列出。

 ?、貯udcard.h

  //AUDCARD.h - include file for VxD AUDCARD

  #include

  #define DEVICE_CLASS AudcardDevice

  #define

  AUDCARD_DeviceID UNDEFINED_DEVICE_ID

  #define AUDCARD_Init_Order

  UNDEFINED_INIT_ORDER#define AUDCARD_Major

  #define AUDCARD_Minor 0

  #define MY_IRQ 5 //定義5號(hào)中斷

  class MyHwInt:public VHardwareInt

  {

  public:

  MyHwInt():VHardwareInt(MY_IRQ,0,0,0){}

  virtual VOID OnHardwareInt(VMHANDLE);

  };

  class AudcardDevice :

  public VDevice

  {

  public:

  virtual BOOL

  OnSysDynamicDeviceInit();

  virtual BOOL OnSysDynamicDeviceExit();

  virtual DWORD OnW32DeviceIoControl(PIOCTLPARAMS pDIOCParams);

  MyHwInt* pMyIRQ;

  };

  class AudcardVM : public

  VVirtualMachine

  {

  public:

  AudcardVM(VMHANDLE hVM);

  };

  class AudcardThread : public VThread

  {

  public:

  AudcardThread(THREADHANDLE hThread);

  };

 ?、贏udcard.cpp

  //AUDCARD.cpp - main module for VxD AUDCARD

  #define DEVICE_MAIN

  #include "audcard.h"

  Declare_Virtual_Device(AUDCARD)

  #define WM_USER_POSTVXD

  0x1000

  //自定義消息

  #undef DEVICE_MAIN

  AudcardVM::AudcardVM(VMHANDLE hVM) : VVirtualMachine(hVM) {}

  AudcardThread::AudcardThread(THREADHANDLE hThread) :

  VThread(hThread) {}

  BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceInit()

  //動(dòng)態(tài)加載時(shí)初始化

  {

  ……//硬件初始化

  pMyIRQ=new MyHwInt();

  if(pMyIRQ&&pMyIRQ->hook()) //掛接中斷

  {

  pMyIRQ->physicalUnmask(); //允許中斷

  return TRUE;

  }

  else return FALSE;

  }

  BOOL

  AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceExit()

  //動(dòng)態(tài)卸載過程

  {

  delete pMyIRQ;

  return TRUE;

  }

  DWORD

  AudcardDevice::OnW32DeviceIoControl(PIOCTLPARAMS pDIOCParams)

  //與Win32應(yīng)用程序的接口函數(shù)

  {

  ……

  }

  VOID

  MyHwInt::OnHardwareInt(VMHANDLE hVM)

  {

  …… // 中斷處理

  SHELL_PostMessage(AppWnd,WM_USER_POSTVXD ,0,0,0,NULL);

  //向應(yīng)用程序窗口發(fā)送消息

  sendPhysicalEOI(); //通知VPICD中斷結(jié)束

  }

  用VToolsD 2.03、VC++ 5.0為自制的PC/XT總線擴(kuò)展卡開發(fā)了虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序Audcard.vxd。該卡每20ms申請(qǐng)中斷,中斷由應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)載入系統(tǒng)的Audcard.vxd響應(yīng)并加以處理。中斷服務(wù)程序ISR(Interrupt Service Routine)結(jié)束后,調(diào)用函數(shù)Shell_PostMessage( )向應(yīng)用程序窗口發(fā)送自定義消息。應(yīng)用程序接受消息后,再通過函數(shù)DeviceIoControl( )與VxD的接口函數(shù)OnW32DeviceIoControl( )互傳緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。程序結(jié)束即可動(dòng)態(tài)卸載VxD。

    這樣一個(gè)中斷實(shí)例就完成了。

    以上實(shí)例我們已在VTOOlsD3.01和VC++6中調(diào)試通過,并已成功地在我們開發(fā)的小型實(shí)時(shí)光譜能量輻射儀中得到應(yīng)用。

    VxD作為現(xiàn)在流行的編程技術(shù)已逐漸受到廣泛的關(guān)注,在工程技術(shù)中必將有著廣闊的應(yīng)用前景。學(xué)習(xí)、使用此技術(shù)將在科學(xué)研究中給我們帶來便利。




  
關(guān)鍵詞:驅(qū)動(dòng)

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