Windows下硬件中断虚拟设备驱动程序开发工具和编程方法

       美国微软公司出品的Windows98以其友好的图形用户界面，在我国赢得了广泛的市场。在给广大办公环境工作人员带来方便的同时，也给不少工程技术人员带来了一些麻烦。一些原本在DOS下很容易编出的控制硬件的程序，现在在Windows98下就不那么容易实现了。作为一个完善的操作系统也必须能控制硬件，象DOS那样直接与硬件打交道是Windows98不提倡的。它需要开发专门的硬件设备驱动程序，即通过一系列的虚拟设备驱动程序来管理硬件，如：进行中断响应、I／O端口读写或直接存储器存取（DMA）。Windows98内核管理机制非常复杂，因而编写虚拟驱动程序也变得十分困难，要想编写虚拟驱动程序，就必须对Windows98的内核有所了解。

　　１ Windows98的内核管理机制

　　在Windows95三年后推出的Windows98虽然扩充了许多新的设备驱动特性，如对AGP、USB、DVD的支持，但在内核上却和Windows95基本一样，它们都是基于DOS内核的操作系统。Windows98系统核心（Kernel）由虚拟机管理器（VMM）和VxD（Virtual   Device Driver）的集合组成。Kernel提供了900多个服务函数来管理内存、控制物理设备、处理中断、创建网络协议栈、管理文件系统等，这些服务函数都可以被自己写的VxD调用。虚拟机（VM）是一个可运行的任务，包含应用程序、支撑软件、内存和CPU寄存器。在Windows98下有系统虚拟机和DOS虚拟机两种。虚拟机管理器（VMM）是在系统级核心运行的32位保护模式操作系统，它运行于Ring0，而且不可重入。ＶＭＭ主要功能是创建、运行、监控和终止虚拟机。VxD即虚拟设备驱动程序，是用来扩展Windows操作系统功能的一类程序。由于VxD运行在系统的Ring0级，拥有与操作系统同等的级别，所以我们可利用它来支持硬件设备的管理。虚拟可编程中断控制器（VPICD）是负责管理所有硬件中断事件的程序，它本身也是一种VxD，能提供缺省的中断处理函数或者允许其它VxD重载中断处理函数。

　　２ Windows98下应用程序权限级别

　　Intel的80ｘ86CPU系列芯片可在三种模式下工作：实模式、保护模式和V86模式。实模式是MS－DOS的运行环境。Windows98只利用了两种模式：保护模式和V86模式。保护模式给我们带来很多优越性，如应用程序不再受1M内存的限制，理论上，在保护模式下，CPU可以进行4096M内存的寻址。但在保护模式下，所有的应用程序都有权限级别（Privilege Level）。权限级别按优先次序分为四等：0、1、2、3。0级是最高级别，操作系统就运行在0级，运行在Ring0级的应用程序可以执行所有的指令并可直接对硬件、中断和文件系统进行物理访问。如果应用程序拥有的权限级别是第３级，那么它能执行的指令是有限的，对硬件的很多直接操作是不能实现的。在Windows中，一般的应用程序是运行在Ring3级的（如用Visual Ｃ＋＋、Borland Ｃ＋＋、Visual Basic、Delphi、Ｃ＋＋ Builder等SDK工具开发出的应用程序）。它们享有的权限是最低的，受到了保护模式的摫；它们没有权限去绕过操作系统直接对硬件操作。

　　有了权限级别，操作系统就有机会在中断和I／O操作上产生撔槟铍效果。由于操作系统的权限为0级，它就可以捕获权限不为0级的应用程序的中断和I／O请求，然后建立缓冲队列，再一一进行串行处理。为了使自己的应用程序也能直接处理硬件，就需要编写专门的VxD。由于VxD是作为操作系统的组件运行于第0级，因而可以利用它来捕获特定的硬件操作，完成我们需要的任务。

　　３ Windows98下虚拟设备驱动程序的开发工具和基本编程方法

　　微软为驱动程序的开发提供了设备驱动程序工具箱（DDK），基于汇编语言的编程方式和许多VMM服务都使用寄存器的调用方式，确实非常难学，没有深厚的汇编语言和硬件基础很难在短时间里开发出自己的VxD。

　　程序员可利用Ｃ或Ｃ＋＋语言编写自己的VxD，而不必操心许多繁琐的细节。它的基本编程方法是：用VToolsD自带的Quick VxD程序快速生成程序框架，在ＶＣ＋＋或Borland Ｃ＋＋中打开此框架的工程文件，并写进特定的处理代码，编译后就可得到所需的VxD文件。
 

　　４ 一个中断程序实例

　　用VToolsD 2.03、VC++5.0为自制的PC/XT总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序Audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断，中断由应用程序动态载入系统的Audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序ISR（InterruptService Routine）结束后，调用函数Shell_PostMessage（）向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后，再通过函数DeviceIoControl（）与VxD的接口函数OnW32DeviceIoControl（ ）互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载VxD。

　　当中断发生时，处理器转换为ring0级保护模式。Windows系统并不像DOS那样通过中断描述符表IDT（InterruptDescriptorTable）直接指向中断处理过程，而是由IDT入口指向VMM中的程序。该程序将判断是否为中断调用，如果是，则把中断控制权交给虚拟可编程中断控制器VPICD（VirtualProgrammable Interrupt ControllerDevice），VPICD实际上是一个重要的VxD。VPICD再将其交给另一个注册了该中断的VxD（如Audcard.vxd）来处理。VxD程序是通过调用VPICD服务VPICD_Virtualize_IRQ来注册中断的。

　　虚拟设备驱动程序Audcard.vxd的部分源代码Audcard.h和Audcard.cpp在网上，此应用程序使用了下列函数：CreateFile（）动态加载VxD、CloseHandle（）并动态卸载VxD、PreTranslateMessage（）截获消息、DeviceIoControl（）与VxD互传缓冲区数据。虚拟设备驱动程序Audcard.vxd经调试后工作正常，未发生过任何丢失数据或死机的现象。

　　下面是虚拟设备驱动程序Audcard.vxd的部分源代码Audcard.h和Audcard.cpp，限于篇幅，由QuickVxD自动生成的Audcard.mak未列出。

　　①Audcard.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 //定义5号中断

　　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）；

　　};

　　②Audcard.cpp

　　//AUDCARD.cpp - main module for VxD AUDCARD

　　#define DEVICE_MAIN

　　#include "audcard.h"

　　Declare_Virtual_Device（AUDCARD）

　　#define WM_USER_POSTVXD

　　0x1000

　　//自定义消息

　　#undef DEVICE_MAIN

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

　　AudcardThread::AudcardThread（THREADHANDLE hThread） :

　　VThread（hThread） {}

　　BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceInit（）

　　//动态加载时初始化

　　{

　　……//硬件初始化

　　pMyIRQ=new MyHwInt（）；

　　if（pMyIRQ&&pMyIRQ->hook（）） //挂接中断

　　{

　　pMyIRQ->physicalUnmask（）； //允许中断

　　return TRUE;

　　}

　　else return FALSE;

　　}

　　BOOL

　　AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceExit（）

　　//动态卸载过程

　　{

　　delete pMyIRQ;

　　return TRUE;

　　}

　　DWORD

　　AudcardDevice::OnW32DeviceIoControl（PIOCTLPARAMS pDIOCParams）

　　//与Win32应用程序的接口函数

　　{

　　……

　　}

　　VOID

　　MyHwInt::OnHardwareInt（VMHANDLE hVM）

　　{

　　…… // 中断处理

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

　　//向应用程序窗口发送消息

　　sendPhysicalEOI（）； //通知VPICD中断结束

　　}

　　用VToolsD 2.03、VC++ 5.0为自制的PC/XT总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序Audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断，中断由应用程序动态载入系统的Audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序ISR（Interrupt Service Routine）结束后，调用函数Shell_PostMessage（ ）向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后，再通过函数DeviceIoControl（ ）与VxD的接口函数OnW32DeviceIoControl（ ）互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载VxD。

    这样一个中断实例就完成了。

    以上实例我们已在VTOOlsD3.01和ＶＣ＋＋６中调试通过，并已成功地在我们开发的小型实时光谱能量辐射仪中得到应用。

    VxD作为现在流行的编程技术已逐渐受到广泛的关注，在工程技术中必将有着广阔的应用前景。学习、使用此技术将在科学研究中给我们带来便利。