Windows98下硬件中断驱动程序的开发

   摘 要： 介绍了Windows98的内核管理机制和应用程序权限级别，简述了在Windows98下进行虚拟驱动程序开发的几种工具和编程方法，并给出了借助VToolsD用Ｃ＋＋语言编写的处理硬件中断的程序实例。

    关键词： 虚拟设备驱动程序 VToolsD 中断服务例程

    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操作上产生撔槟鈹效果。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。

    美国Vireo Software公司推出的VToolsD为我们开发VxD提供了方便快捷的方法。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Ｃ或Ｃ＋＋都可在VToolsD中进行开发，相比之下，由于VToolsD中封装许多Ｃ＋＋类库，因而用Ｃ＋＋语言进行VxD的开发更加容易和方便。

    在我们开发的小型实时光谱能量辐射仪中利用北京众人公司的PS－2129AD采集卡作为数据采集器件。卡上载有三路8253计数器，利用其中的两路产生光电二极管阵列（SSPD）的驱动信号，另外一路让它工作在方式0椉剖崾卸希康奔剖当湮埃悴卸希谥卸铣绦蚶锝惺莶杉１纠兄卸虾盼埂?/P>

    定义好设备属性各参数后，在Quick VxD生成的头文件中定义如下：

     #define DEVICE＿CLASS AdcardDevice

    #define ADCARD＿DeviceID UNDEFINED＿DEVICE＿ID

    #define ADCARD＿Init＿Order UNDEFINED＿INIT＿ORDER

    #define ADCARD＿Major 1

    #define ADCARD＿Minor 0

    #define ＭＹ＿IRQ 9／*中断号为9*／

    其中ADCARD为在QuickVxD的对话框中键入的设备名。VToolsD提供类VHardwareInt来实现对某个IRQ端口的虚拟化，并处理该IRQ端口上的硬件中断。本实例中就用到这个类。

    类OnHaredwareInt的主要成员函数定义如下：

    VHardwareIn::VHardwareIn（int  irq ，DWORD flags，DWORD timeout，PVOID refdata）

    irg 要虚拟化的IRQ，其值从0～15；

    flag 一般设置为0；

    timeout 从虚拟中断申请（assert）到进入VM中的虚拟中断处理函数所允许的最大时延，设置0

    表示忽略  timeout；

    refdata   refdata将存放在m＿refdata变量中，在通知事件处理函数里，可以作为参考数据。

    VHardwareIn::OnHaredwareInt（VMHANDLE hVM）

    当IRQ硬件中断发生时，VPICD将调用类VHardwareIn里的成员函数OnHaredwareInt，在调用OnHaredwareInt函数之前，VPICD首先发Cli指令，同时设置本IRQ的屏蔽位。所以可以在OnHaredwareInt函数里直接处理中断服务。

    VHardwareIn::hook（）

    hook成员函数把虚拟IRQ与OnHaredwareInt函数相勾连。通过重载OnHaredwareInt函数用来处理本IRQ的各种中断事件。返回TRUE表示IRQ虚拟化成功，返回FALSE则表示IRQ虚拟化失败。

    VHardwareIn::physicalUnmask（）

    命令VPICD物理地不屏蔽本IRQ。

    VHardwareIn::sendPhysicalEOI（）

    此成员函数通知VPICD中断处理结束。VPICD将物理地不屏蔽本IRQ。

    在头文件里派生类VHardwareIn，在派生类中定义构造函数，并重载OnHaredwareInt函数。

    class MyHwInt:public VHardwareIn

    {

    public: MyHwInt（）:VHardwareIn（MY＿IRQ，0，0，0）{}

                               ／*定义构造函数*／

             virtual VOID OnHardwareInt（VMHANDLE）

                      ／*重载OnHaredwareInt函数*／

    }；

    并在头文件里定义一个派生类的实例，放在QuickVxD自动生成的AdcardDevice类里：

    class AdcardDevice : public      VDevice

    {

    public:

              virtual    BOOL   OnSysDynamicDeviceInit（）;

                                                 ／*用来动态加载VxD*／

              virtual    BOOL   OnSysDynamicDeviceExit（）;

                                                  ／*用来动态卸载VxD*／

            MyHwInt pMyIRQ; ／*定义MyHwInt的一个实例*／

    };

    为了让VxD能与Ring3级的应用程序通讯，本实例中采用共享内存的办法。在源文件里定义一个内存地址，Ring3级应用程序通过读取此内存地址来得到AD卡的采集结果。

    源文件以下所示：

    #define DEVICE＿MAIN

    #include  "adcard.h"

    Declare＿Virtual＿Device（ADCARD）

    #undef  DEVICE＿MAIN

    PWORD  pVal=（PWORD）0x9F000

    ／／定义一个内存地址

    BOOL  AdcardDevice:: OnSysDynamicDeviceInit（）

    {

    pMyIRQ=new MyHwInt（）；

    ／*创建类 MyHwInt的一个实例*／

    if（pMyIRQ－＞hook（）） ／*判断本IRQ是否虚拟化成功*／

    {

    pMyIRQ－＞physicalUnmask（）； ／／不屏蔽本IRQ return  TRUE

    }

    else  return  FALSE;

    }

    BOOL  AdcardDevice:: OnSysDynamicDeviceExit（）

 {

    delete    ppMyIRQ; ／／删除类MyHwInt的实例   retuen   TRUE

 }

    VOID MyHwInt::OnHardwareInt（VMHANDLE    hVM）

    {

    ．．．．．． ／*这里写上处理中断的代码*／

   *pVal=＿inp（0ｘ0102） ／*读进AD转换结果，这里假定AD卡存放转换结果的端口为0ｘ0102*／

     sendPhysicalEOI（）；／*发中断结束信号*／

    }

    用ＶＣ＋＋打开此工程文件，编译后就可得到adcard.vxd文件。

    在Ring3级的应有程序中为了调用adcard.vxd，可在其源文件中添加以下语句：

    HANDLE   HVXD

    HVXD=CreateFile（″＼＼＼＼．＼＼adcard.vxd″,0,0,0CREATE＿NEW,

    FILE＿FLAG＿DELETE＿ON＿CLOSE,0）；

    if（HVXD==INVALID＿HANDLE＿VALUE）

    ．．．．．．

    CreateFile（）的详细用法可查阅ＶＣ＋＋的帮助。这样应用程序中就加载了adcard.vxd文件。为了能使此应用程序能得到ＡＤ卡的转换结果，同样也要在源文件里定义一个内存地址：

    PWORD  pVal=（PWORD）0x9F000;

    在需要得到转换结果的地方加上以下语句即可：

    int  data;

    data=*pVal;／／假定把结果存在data变量里

    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。