Windows9x/NT及2000下中斷驅(qū)動程序的統(tǒng)一化處理

Windows以其友好的圖形用戶界面，使得它不僅成為辦公管理首選的操作系統(tǒng)，也日益受到工程技術(shù)人員的關(guān)注，逐漸取代DOS而成為主流的工程應(yīng)用控制平臺。但是，Windows系統(tǒng)為了保證平臺的安全與完整性，對系統(tǒng)底層操作采取了屏蔽的策略，利用VxD將用戶與硬件隔離開來。 在Windows9x(95、97、98)下，用戶如果需要實現(xiàn)對硬件的中斷、DMA或存儲空間物理地址等資源進行訪問，必須通過設(shè)備驅(qū)動程序來進行硬件操作;而在WindowsNT下，即使是簡單的I/O操作，也需要編寫驅(qū)動程序方能與硬件打交道。

　　Windows操作系統(tǒng)的主流目前是Windows9x和WindowsNT，而已經(jīng)推出的Windows2000是以WindowsNT為主要框架的。由于Windows9x和WindowsNT兩者在系統(tǒng)核心上有質(zhì)的不同，所以即使對于同樣一個硬件，在兩者下的驅(qū)動程序也有很大的區(qū)別。因此，一般而言，需要針對不同的操作系統(tǒng)編寫不同的驅(qū)動程序。

　　兼容X86指令的微機CPU運行時有4個優(yōu)先級，Ring0～Ring3。操作系統(tǒng)與驅(qū)動程序運行在Ring0級，可以對所有硬件資源進行控制;用戶程序運行在Ring3級，對資源控制受到一些限制。而對于Ring0級的驅(qū)動程序而言，它的編寫和調(diào)試通常需要對操作平臺的運行機制有較深的了解，從而要求程序開發(fā)者掌握Windows9x、NT及Windows2000的內(nèi)核管理機制，對于開發(fā)人員來講這有相當(dāng)大的難度。 在這里，筆者使用了美國Jungo公司出品的WinDriver工具包，利用其繞過了對操作系統(tǒng)內(nèi)核的學(xué)習(xí)掌握這個難點，并且在不更改程序代碼的前提下，完成了在多個操作系統(tǒng)下對硬件中斷的一致處理，很方便地解決了硬件與程序在不同系統(tǒng)下的移植問題。

1 Windows下硬件中斷的管理機制

　　在多任務(wù)的環(huán)境里，硬件設(shè)備中斷管理程序是非常重要的系統(tǒng)級程序。它不僅要把硬件發(fā)生的中斷時間傳給相應(yīng)的驅(qū)動程序，還要允許某些設(shè)備驅(qū)動程序處理它們特殊的中斷服務(wù)。在Windows平臺下，VPICD(虛擬可編程中斷控制器)就是這樣的硬件設(shè)備管理程序，它負(fù)責(zé)管理所有的硬件中斷時間。VPICD通過一個缺省機制觸發(fā)駐留在VM(虛擬機)內(nèi)的中斷處理函數(shù)。它完全允許VxD根據(jù)其需要而重載中斷處理函數(shù)。PC機的硬件中斷需要確定硬件中斷的IRQS(中斷申請?zhí)?，對一個特定的IRQ中斷源，VPICD或提供缺省的中斷處理函數(shù)，或允許其它VxD重載中斷處理函數(shù)。

　　VPICD提供的缺省中斷處理是:首先置中斷禁止，再觸發(fā)相應(yīng)VM中的中斷處理函數(shù)。因為VPICD實現(xiàn)了對PPIC(物理可編程中斷控制器，如8259中斷控制器)的虛擬化，所以當(dāng)VM中的中斷處理函數(shù)發(fā)送EOI(中斷處理結(jié)束指令)時，VPICD即對PPIC發(fā)EOI指令。最后，VPICD控制處理函數(shù)的返回操作，恢復(fù)中斷，并置VM狀態(tài)為VM進入中斷前的狀態(tài)。當(dāng)VPICD對某些中斷的缺省處理不夠充分或則不太合適時，就需要親手編寫一個VxD，在其中實現(xiàn)中斷的虛擬化。VxD將決定如何處理硬件中斷以及如何調(diào)用VM中的中斷處理函數(shù)。

　　下面將要詳述的WinDriver對中斷處理作了很好的封裝，將對VPICD和VM的控制和處理以及某些特殊的驅(qū)動要求封裝在經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)試的WinDriver.vxd和WinDriver.sys中，并對調(diào)用驅(qū)動程序的API(應(yīng)用編程接口)函數(shù)進行了系統(tǒng)集成，讓使用者直接面對用高級語言集成好的類庫和函數(shù)接口，從而大大降低了程序開發(fā)的難度，縮短了開發(fā)周期。

2 WinDriver工具包簡介

　　WinDriver是美國Jungo公司出品的用于編寫驅(qū)動程序的一種工具包，主要針對ISA/PCI插卡，4.2版本以后還提供了USB的開發(fā)工具。最新版本4.40版所編寫的程序兼容性十分強大，包括了Windows9x、Windows NT、Windows2000、Windows CE、Linux、Solaris(Intel)、VxWorks (Intel) 、OS/2等諸多操作平臺。WinDriver主要包括一個WinDriverWizard、一個WinDriver發(fā)行包、多個公用程序以及大量的例程。

　　(1)WinDriverWizard

　　這是一個友好的Windows向?qū)Ы缑妗＿\行WinDriverWizard，它可以讓你立即接觸到硬件而不用寫一句有關(guān)的代碼。這種便利來自于它的自動檢測功能。對于ISA插卡，用戶可以直接利用它來讀寫卡上的內(nèi)存、I/O地址、寄存器以及偵聽中斷。對于PCI插卡，除了上面的基本功能外，還可以方便地讀寫PCI的配置信息。

　　在此之后，通過選擇“GenerateCode”選項，WinDriverWizard會為你的插卡產(chǎn)生基本的程序代碼。4.2版本以后還提供了多種編程語言選擇，幾乎包括了所有流行的編程語言，如VC4?觸VC6、Borland C++Builder3?觸4、Pascal、Delphi、Linuxmake、Solariesmake等等。這就讓用戶不必去學(xué)新的編程語言，很容易地直接上手。

　　(2)公用程序

　　WinDriver提供了pci_scan、pci_dump、pci_diag、isapnp_scan、wdreg、wddebug等多個公用程序。pci_scan可以給出安裝的PCI卡及系統(tǒng)為它們分配資源的列表;pci_dump則負(fù)責(zé)得到已安裝的PCI卡的系統(tǒng)配置信息;pci_diag兼有兩者功能;isapnp_scan為用戶指出了即插即用的ISA插卡的有關(guān)信息;wdreg為用戶提供了修改注冊表的工具，可以用來方便地安裝用戶編寫的程序;wddebug則是一個用于調(diào)試用戶程序的有效工具。

　　(3)大量例程

　　WinDriver提供了許多例程，使用者可以利用它們來產(chǎn)生自己驅(qū)動程序的基本框架。與此同時，在WinDriver提供的在線幫助里，可以查到許多WinDriver封裝好的功能函數(shù)。這些函數(shù)能夠方便地實現(xiàn)中斷處理、DMA傳輸、I/O操作、內(nèi)存映射以及即插即用等功能。而且對于常用的PCI橋芯片，如PLX9050、PLX9060、PLX9080、AMCC5923、AMCC5933、V3、ALTERA、GT64等等，提供了特定的檢測程序和相應(yīng)的API函數(shù)，大大減輕了用戶的編程難度。

3 WinDriver的驅(qū)動程序編程模式原理

　　WinDriver編程有兩種模式。一種模式是用戶模式，這種模式實際上不是讓用戶來編驅(qū)動程序，而是利用軟件自身提供的驅(qū)動程序Windrvr.vxd和Windrvr.sys，用戶所面對的只是驅(qū)動程序給出的相應(yīng)功能接口;即使是這個接口，也用高級語言進行了很好的封裝，使用十分容易。另一種模式是“核心插入”模式用KernelPlugIn方式進行編程，形成.vxd和.sys文件，這是真正意義上的驅(qū)動程序。當(dāng)用戶有特殊的速度要求時，后者是較好的方式。這種方式最快，據(jù)Jungo公司的評測報告中講，可以在一秒鐘內(nèi)處理100，000次中斷，筆者在硬件中嘗試了一下10，000次中斷/秒，獲得了成功。

　　對于對操作系統(tǒng)內(nèi)核了解不多的開發(fā)者，用戶模式無疑是非常值得推薦的。本文重點即是放在這方面。使用用戶模式，這里要特別注意以下幾個功能函數(shù):

　　(1) WD_Open()——獲得驅(qū)動程序(指Windrvr.vxd或Windrvr.sys)的句柄，它實際上是調(diào)用了CreateFile()API函數(shù)，在程序開始時必須調(diào)用;

　　(2) WD_Close()——釋放驅(qū)動程序的句柄，它實際上是調(diào)用了CloseHandle()API函數(shù)，在程序結(jié)束時必須調(diào)用;

　　(3) WD_CardRegister()——負(fù)責(zé)插卡登記項目的建立和資源分配，資源包括I/O操作、內(nèi)存分配、中斷處理等。它調(diào)用了DeviceIOControl()API函數(shù);

　　(4) WD_CardUnRegister()——負(fù)責(zé)插卡登記項目的刪除和資源釋放，與前者相對應(yīng)，也調(diào)用了DeviceIOControl()API函數(shù);

　　(5) InterruptThreadEnable()-中斷使能，使能后可以接收中斷信號，調(diào)用Interrupt_handler()函數(shù)對中斷進行相應(yīng)處理。在其中集成了CreateThread()API函數(shù);

　　(6) Interrupt_handler()-中斷處理函數(shù)，開發(fā)者在這里加入自己對硬件的控制代碼。

　　(7) InterruptThreadDisable()-使中斷無效的函數(shù)，屏蔽掉中斷信號，不再對其進行處理。在其中集成了WaitForSingleObject()和CloseHandle()這兩個API函數(shù)。

4 具體示例

　　下面給出一個用戶模式的具體示例。用VisualC++6編譯調(diào)試通過，在Windows9x和WindowsNT下系統(tǒng)運行良好，在Windows2000下也能夠穩(wěn)定運行。windrvr.h和windrvr.vxd、windrvr.sys由軟件提供，這里就不詳述。對于Windows9x系統(tǒng)，注意將windrvr.vxd拷貝到C:WindowsSystemVmm32目錄下;對于WindowsNT系統(tǒng)，注意將windrvr.sys拷貝到C：WINNTSystem32DRIVERS目錄下。Listen_Interupt.C程序框架如下，該程序?qū)崿F(xiàn)了中斷12的截獲:

　　Listen_Interupt.c源程序

　　//應(yīng)包含的頭文件

　　#include ″../../include/windrvr.h″

　　#include ″../../include/windrvr_int_thread.h″

　　#include

　　//設(shè)置自己的中斷號，這個例子為中斷12

　　enum {MY_IRQ=12}；

　　//建立全局的WinDriver句柄

　　HANDLE hWD；

　　//建立中斷結(jié)構(gòu)

　　WD_INTERRUPT Intrp；

　　Static char line[256]；

　　//中斷處理過程，你可以用pData來傳遞從InterruptThreadEnable()得來的信息

    VOID interrupt_handler(PVOID pData)

　　{

       //在這里加入你要做的中斷處理代碼

       printf(″截獲中斷的數(shù)目為%dn″，Intrp.dwCounter)；

　　}

　　//主函數(shù)

　　int main()

　　{

       WD_CARD_REGISTER cardReg；//建立插卡登記項目的一個實例

       WD_VERSION verBuf；

       hWD=WD_Open()；//獲得驅(qū)動程序的句柄

　　if(hWD==INVALID_HANDLE_VALUE)

　　{

       printf(″打開WINDRVR出現(xiàn)錯誤!n″)；

       return0；

　　}

　　BZERO(verBuf)；

　　WD_Version(hWD，&verBuf)；

　　if(verBuf.dwVer

　　{

       printf(″WINDRVR版本不正確，這里需要的版本為:%dn″，WD_VER)；

       return0；

　　}

　　//初始化cardReg，這是程序的重要部分

　　BZERO(cardReg)；

　　cardReg.Card.dwItems=1；

　　cardReg.Card.Item[0].item=ITEM_INTERRUPT；

　　cardReg.Card.Item[0].fNotSharable=True；

　　cardReg.Card.Item[0].I.Int.dwInterrupt=MY_IRQ；

　　cardReg.Card.Item[0].I.Int.dwOptions=1；

　　cardReg.fCheckLockOnly=True；

　　WD_CardRegister(hWD，&cardReg)；

　　if(cardReg.hCard==0)

　　{

              printf(″無法鎖定設(shè)備!″)；

　　}

　　else

　　{

              HANDLE thread_handle；

              BZERO(Intrp)；

              Intrp.hInterrupt=cardReg.Card.Item[0].I.Int.hInterrupt；

              Intrp.Cmd=NULL；

              Intrp.dwCmds=0；

              Intrp.dwOptions=0；

              printf(″開始中斷線程n″)；

              //這里調(diào)用WD_IntEnable()，并且建立一個中斷處理的線程

              if(!InterruptThreadEnable(&thread_handle，hWD，&Intrp，&interrupt_handler，NULL))

              {

                     printf(″中斷使能失敗!n″)；

              }

              else

              {

                     //callyourdrivercodehere

                            printf(″敲回車鍵不再進行中斷截獲n″)；

                     gets(line)；

                     //這里調(diào)用禁止截獲中斷的函數(shù):WD_IntDisable()

                     InterruptThreadDisable(&thread_handle)；

                     }

                     //釋放所登記的資源

                     WD_CardUnregister(hWD，&cardReg)；

                     }

                     //刪除驅(qū)動程序的句柄。

                     WD_Close(hWD)；

                     return0；

　　}

　　按照本文給出的技術(shù)方案，掌握必要的Windows編程技術(shù)，即可以成功地實現(xiàn)Windows環(huán)境下對硬件中斷的直接控制，很方便地在不同系統(tǒng)下進行移植。實踐證明，這種方法是切實可行，行之有效的。