Windows98下硬件中斷虛擬設備驅(qū)動程序的開發(fā)

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美國微軟公司出品的Windows98以其友好的圖形用戶界面，在我國贏得了廣泛的市場。在給廣大辦公環(huán)境工作人員帶來方便的同時，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下就不那么容易實現(xiàn)了。作為一個完善的操作系統(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)專門的硬件設備驅(qū)動程序，即通過一系列的虛擬設備驅(qū)動程序來管理硬件，如：進行中斷響應、I／O端口讀寫或直接存儲器存?。―MA）。Windows98內(nèi)核管理機制非常復雜，因而編寫虛擬驅(qū)動程序也變得十分困難，要想編寫虛擬驅(qū)動程序，就必須對Windows98的內(nèi)核有所了解。

１Windows98的內(nèi)核管理機制

在Windows95三年后推出的Windows98雖然擴充了許多新的設備驅(qū)動特性，如對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）由虛擬機管理器（VMM）和VxD（VirtualDeviceDriver）的集合組成。Kernel提供了900多個服務函數(shù)來管理內(nèi)存、控制物理設備、處理中斷、創(chuàng)建網(wǎng)絡協(xié)議棧、管理文件系統(tǒng)等，這些服務函數(shù)都可以被自己寫的VxD調(diào)用。虛擬機（VM）是一個可運行的任務，包含應用程序、支撐軟件、內(nèi)存和CPU寄存器。在Windows98下有系統(tǒng)虛擬機和DOS虛擬機兩種。虛擬機管理器（VMM）是在系統(tǒng)級運行的32位保護模式操作系統(tǒng)，它運行于Ring0，而且不可重入。ＶＭＭ主要功能是創(chuàng)建、運行、監(jiān)控和終止虛擬機。VxD即虛擬設備驅(qū)動程序，是用來擴展Windows操作系統(tǒng)功能的一類程序。由于VxD運行在系統(tǒng)的Ring0級，擁有與操作系統(tǒng)同等的級別，所以我們可利用它來支持硬件設備的管理。虛擬可編程中斷控制器（VPICD）是負責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)。

２Windows98下應用程序權(quán)限級別

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

有了權(quán)限級別，操作系統(tǒng)就有機會在中斷和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，它就可以捕獲權(quán)限不為0級的應用程序的中斷和I／O請求，然后建立緩沖隊列，再一一進行串行處理。為了使自己的應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)的組件運行于第0級，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。

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

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

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

４一個中斷程序?qū)嵗?/p>

用VToolsD2.03、VC++5.0為自制的PC/XT總線擴展卡開發(fā)了虛擬設備驅(qū)動程序Audcard.d。該卡每20ms申請中斷，中斷由應用程序動態(tài)載入系統(tǒng)的Audcard.d響應并加以處理。中斷服務程序ISR（InterruptServiceRoutine）結(jié)束后，調(diào)用函數(shù)Shell_PostMessage（）向應用程序窗口發(fā)送自定義消息。應用程序接受消息后，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)束即可動態(tài)卸載VxD。

當中斷發(fā)生時，處理器轉(zhuǎn)換為ring0級保護模式。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（VirtualProgrammableInterruptControllerDevice），VPICD實際上是一個重要的VxD。VPICD再將其交給另一個注冊了該中斷的VxD（如Audcard.d）來處理。VxD程序是通過調(diào)用VPICD服務VPICD_Virtualize_IRQ來注冊中斷的。

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

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

①Audcard.h

//AUDCARD.h-includefileforVxDAUDCARD

#include

#defineDEVICE_CLASSAudcardDevice

#define

AUDCARD_DeviceIDUNDEFINED_DEVICE_ID

#defineAUDCARD_Init_Order

UNDEFINED_INIT_ORDER#defineAUDCARD_Major

#defineAUDCARD_Minor0

#defineMY_IRQ5//定義5號中斷

classMyHwInt:publicVHardwareInt

{

public:

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

virtualVOIDOnHardwareInt（VMHANDLE）；

};

classAudcardDevice:

publicVDevice

{

public:

virtualBOOL

OnSysDynamicDeviceInit（）；

virtualBOOLOnSysDynamicDeviceExit（）；

virtualDWORDOnW32DeviceIoControl（PIOCTLPARAMSpDIOCParams）；

MyHwInt*pMyIRQ;

};

classAudcardVM:public

VVirtualMachine

{

public:

AudcardVM（VMHANDLEhVM）；

};

classAudcardThread:publicVThread

{

public:

AudcardThread（THREADHANDLEhThread）；

};

②Audcard.cpp

//AUDCARD.cpp-mainmoduleforVxDAUDCARD

#defineDEVICE_MAIN

#include"audcard.h"

Declare_Virtual_Device（AUDCARD）

#defineWM_USER_POSTD

0x1000

//自定義消息

#undefDEVICE_MAIN

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

AudcardThread::AudcardThread（THREADHANDLEhThread）:

VThread（hThread）{}

BOOLAudcardDevice::OnSysDynamicDeviceInit（）

//動態(tài)加載時初始化

{

……//硬件初始化

pMyIRQ=newMyHwInt（）；

if（pMyIRQpMyIRQ-hook（））//掛接中斷

{

pMyIRQ-physicalUnmask（）；//允許中斷

returnTRUE;

}

elsereturnFALSE;

}

BOOL

AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceExit（）

//動態(tài)卸載過程

{

deletepMyIRQ;

returnTRUE;

}

DWORD

AudcardDevice::OnW32DeviceIoControl（PIOCTLPARAMSpDIOCParams）

//與Win32應用程序的接口函數(shù)

{

……

}

VOID

MyHwInt::OnHardwareInt（VMHANDLEhVM）

{

……//中斷處理

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

//向應用程序窗口發(fā)送消息

sendPhysicalEOI（）；//通知VPICD中斷結(jié)束

}

用VToolsD2.03、VC++5.0為自制的PC/XT總線擴展卡開發(fā)了虛擬設備驅(qū)動程序Audcard.d。該卡每20ms申請中斷，中斷由應用程序動態(tài)載入系統(tǒng)的Audcard.d響應并加以處理。中斷服務程序ISR（InterruptServiceRoutine）結(jié)束后，調(diào)用函數(shù)Shell_PostMessage（）