摘 要： 介紹了Windows98的內(nèi)核管理機制和應用程序權限級別，簡述了在Windows98下進行虛擬驅動程序開發(fā)的幾種工具和編程方法，并給出了借助VToolsD用C++語言編寫的處理硬件中斷的程序實例。
關鍵詞： 虛擬設備驅動程序 VToolsD 中斷服務例程
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)專門的硬件設備驅動程序，即通過一系列的虛擬設備驅動程序來管理硬件，如：進行中斷響應、I/O端口讀寫或直接存儲器存取(DMA)。Windows98內(nèi)核管理機制非常復雜，因而編寫虛擬驅動程序也變得十分困難，要想編寫虛擬驅動程序，就必須對Windows98的內(nèi)核有所了解。
1 Windows98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)核心(Kernel)由虛擬機管理器(VMM)和 VxD(Virtual Device Driver)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)級核心運行的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)。
2 Windows98下應用程序權限級別
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限級別(Privilege Level)。權限級別按優(yōu)先次序分為四等：0、1、2、3。0級是最高級別，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Visual C++、Borland C++、Visual Basic、Delphi、C++ Builder等SDK工具開發(fā)出的應用程序)。它們享有的權限是最低的，受到了保護模式的摫;?，它們沒有權限去繞過操作系統(tǒng)直接對硬件操作。
有了權限級別，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)的權限為0級，它就可以捕獲權限不為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。
3 Windows98下虛擬設備驅動程序的開發(fā)工具和基本編程方法
微軟為驅動程序的開發(fā)提供了設備驅動程序工具箱(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。
美國Vireo Software公司推出的VToolsD為我們開發(fā)VxD提供了方便快捷的方法。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 一個中斷程序實例
用C或C++都可在VToolsD中進行開發(fā)，相比之下，由于VToolsD中封裝許多C++類庫，因而用C++語言進行VxD的開發(fā)更加容易和方便。
在我們開發(fā)的小型實時光譜能量輻射儀中利用北京眾人公司的PS-2129AD采集卡作為數(shù)據(jù)采集器件?？ㄉ陷d有三路8253計數(shù)器，利用其中的兩路產(chǎn)生光電二極管陣列(SSPD)的驅動信號，另外一路讓它工作在方式0椉剖?崾???卸希?康奔剖?當湮?埃?悴??卸希?謚卸銑絳蚶锝?惺?薟杉?1糾?兄卸蝦盼?埂?/P>
定義好設備屬性各參數(shù)后，在Quick VxD生成的頭文件中定義如下：
#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/*中斷號為9*/
其中ADCARD為在QuickVxD的對話框中鍵入的設備名。VToolsD提供類VHardwareInt來實現(xiàn)對某個IRQ端口的虛擬化，并處理該IRQ端口上的硬件中斷。本實例中就用到這個類。
類OnHaredwareInt的主要成員函數(shù)定義如下：
VHardwareIn::VHardwareIn?(int irq ，DWORD flags，DWORD timeout，PVOID refdata)
irg 要虛擬化的IRQ，其值從0～15;
flag 一般設置為0;
timeout 從虛擬中斷申請(assert)到進入VM中的虛擬中斷處理函數(shù)所允許的最大時延，設置0
表示忽略 timeout;
refdata refdata將存放在m_refdata變量中，在通知事件處理函數(shù)里，可以作為參考數(shù)據(jù)。
VHardwareIn::OnHaredwareInt(VMHANDLE hVM)
當IRQ硬件中斷發(fā)生時，VPICD將調(diào)用類VHardwareIn里的成員函數(shù)OnHaredwareInt，在調(diào)用OnHaredwareInt函數(shù)之前，VPICD首先發(fā)Cli指令，同時設置本IRQ的屏蔽位。所以可以在OnHaredwareInt函數(shù)里直接處理中斷服務。
VHardwareIn::hook()
hook成員函數(shù)把虛擬IRQ與OnHaredwareInt函數(shù)相勾連。通過重載OnHaredwareInt函數(shù)用來處理本IRQ的各種中斷事件。返回TRUE表示IRQ虛擬化成功，返回FALSE則表示IRQ虛擬化失敗。
VHardwareIn::physicalUnmask()
命令VPICD物理地不屏蔽本IRQ。
VHardwareIn::sendPhysicalEOI()?
此成員函數(shù)通知VPICD中斷處理結束。VPICD將物理地不屏蔽本IRQ。
在頭文件里派生類VHardwareIn，在派生類中定義構造函數(shù)，并重載OnHaredwareInt函數(shù)。
class MyHwInt:public VHardwareIn
{
public: MyHwInt():VHardwareIn(MY_IRQ，0，0，0){}??
/*定義構造函數(shù)*/
virtual VOID OnHardwareInt(VMHANDLE)?
/*重載OnHaredwareInt函數(shù)*/
};??
并在頭文件里定義一個派生類的實例，放在QuickVxD自動生成的AdcardDevice類里：
class AdcardDevice : public VDevice
{
public:
virtual BOOL OnSysDynamicDeviceInit();
/*用來動態(tài)加載VxD*/
virtual BOOL OnSysDynamicDeviceExit();??
/*用來動態(tài)卸載VxD*/
MyHwInt pMyIRQ; /*定義MyHwInt的一個實例*/
};
為了讓VxD能與Ring3級的應用程序通訊，本實例中采用共享內(nèi)存的辦法。在源文件里定義一個內(nèi)存地址，Ring3級應用程序通過讀取此內(nèi)存地址來得到AD卡的采集結果。
源文件以下所示：
#define DEVICE_MAIN
#include "adcard.h"
Declare_Virtual_Device(ADCARD)
#undef DEVICE_MAIN
PWORD pVal=(PWORD)0x9F000?
//定義一個內(nèi)存地址
BOOL AdcardDevice:: OnSysDynamicDeviceInit()
{
pMyIRQ=new MyHwInt();??
/*創(chuàng)建類 MyHwInt的一個實例*/
if(pMyIRQ->hook())? /*判斷本IRQ是否虛擬化成功*/
{?
pMyIRQ->physicalUnmask();? //不屏蔽本IRQ return TRUE
}
else return FALSE;?
}
BOOL AdcardDevice:: OnSysDynamicDeviceExit()
? {
delete ppMyIRQ; //刪除類MyHwInt的實例 retuen TRUE?
? }
VOID MyHwInt::OnHardwareInt(VMHANDLE hVM)
{
...... /*這里寫上處理中斷的代碼*/
? *pVal=_inp(0x0102) /*讀進AD轉換結果，這里假定AD卡存放轉換結果的端口為0x0102*/
sendPhysicalEOI();/*發(fā)中斷結束信號*/
}
用VC++打開此工程文件，編譯后就可得到adcard.vxd文件。
在Ring3級的應有程序中為了調(diào)用adcard.vxd，可在其源文件中添加以下語句：
HANDLE HVXD?
HVXD=CreateFile(″\\\\.\\adcard.vxd″,0,0,0CREATE_NEW,
FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE,0);?
if(HVXD==INVALID_HANDLE_VALUE)
......
CreateFile()的詳細用法可查閱VC++的幫助。這樣應用程序中就加載了adcard.vxd文件。為了能使此應用程序能得到AD卡的轉換結果，同樣也要在源文件里定義一個內(nèi)存地址：
PWORD pVal=(PWORD)0x9F000;
在需要得到轉換結果的地方加上以下語句即可：
int data;
data=*pVal;//假定把結果存在data變量里
這樣一個中斷實例就完成了。
以上實例我們已在VTOOlsD3.01和VC++6中調(diào)試通過，并已成功地在我們開發(fā)的小型實時光譜能量輻射儀中得到應用。
VxD作為現(xiàn)在流行的編程技術已逐漸受到廣泛的關注，在工程技術中必將有著廣闊的應用前景。學習、使用此技術將在科學研究中給我們帶來便利。
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