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

摘要：針對(duì)Windows9x/NT及Windows2000操作系統(tǒng)，利用Windriver工具包，實(shí)現(xiàn)了在多種操作系統(tǒng)下對(duì)硬件中斷驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行統(tǒng)一化處理，保證了程序在不同的操作系統(tǒng)下良好的移植性矣兼容性，并給出了用C語言編寫的程序?qū)嵗?/p>

關(guān)鍵詞：Windows9x/NT/2000 虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(VxD) Windriver工具包 中斷驅(qū)動(dòng)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(tái)。但是，Windows系統(tǒng)為了保證平臺(tái)的安全與完整性，對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的中斷、DMA或存儲(chǔ)空間物理地址等資源進(jìn)行訪問，必須通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來進(jìn)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(dòng)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)核心上有盾的不同，所以即使對(duì)于同樣一硬件，在兩者下的驅(qū)動(dòng)程序也有很大的區(qū)別。因此，一般而言，需要針對(duì)不同的操作系統(tǒng)編寫不同的驅(qū)動(dòng)程序。

兼容X86指令的微機(jī)CPU運(yùn)行時(shí)有4個(gè)優(yōu)先級(jí)，Ring0~Ring3。操作系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在Ring0級(jí)，Ring3級(jí)，對(duì)資源控制受到一些限制。而對(duì)于Ring0級(jí)的驅(qū)動(dòng)程序而言，它的編寫和調(diào)試通常需要對(duì)操作平臺(tái)的運(yùn)行機(jī)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(jī)制，對(duì)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(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核的學(xué)習(xí)掌握這個(gè)難點(diǎn)，并且在不更改程序代碼的前提下，完成了在多個(gè)操作系統(tǒng)下對(duì)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(jī)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(jí)程序。它不僅要把硬件發(fā)生的中斷時(shí)間傳給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，還要允許某些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理它們特殊的中斷服務(wù)。在Windows平臺(tái)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(shí)間。VPICD通過一個(gè)缺省機(jī)制觸發(fā)駐留在VM(虛擬機(jī))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(jī)的硬件中斷需要確定硬件中斷的IRQS(中斷申請(qǐng)?zhí)?，對(duì)一個(gè)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?yàn)閂PICD實(shí)現(xiàn)了對(duì)PPIC(物理可編程中斷控制，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(shí)，VPICD即對(duì)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(jìn)入中斷前的狀態(tài)。當(dāng)VPICD對(duì)某些中斷的缺省處理不夠充分或則不太合適時(shí)，就需要親手編寫一個(gè)VxD，在其中實(shí)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(duì)中斷處理作了很好的封裝，將對(duì)VPICD和VM的控制和處理以及某些特殊的驅(qū)動(dòng)要求封裝在經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)試的 WinDriver.vxd和WinDriver.sys中，并對(duì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的API(應(yīng)用編程接口)函數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)集成，讓使用者直接面對(duì)用高級(jí)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(dòng)程序的一種工具包，主要針對(duì)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(qiáng)大，包括了Windows9x、Windows NT、Windows2000、Windows CE、Linux、Solaris(Intel)、VxWorks(Intel)、OS/2等諸多操作平臺(tái)。Windriver主要包括一個(gè) WindriverWizard、一個(gè)Windriver發(fā)行包、多個(gè)公用程序以及大量的例程。

(1)WinDriverWizard

這是一個(gè)友好的Windows向?qū)Ы缑?。運(yùn)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(dòng)檢測功能。對(duì)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(duì)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(xiàng)，WinDriverWizard會(huì)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~VC6、Borland C++Builder3~4、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(gè)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(cè)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(gè)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(dòng)程序的基本框架。與此同時(shí)，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(shí)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。耐用對(duì)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(dòng)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(shí)際上不是讓用戶來編驅(qū)動(dòng)程序，而是利用軟件自身提供的驅(qū)動(dòng)程序Windrvr.vxd和Windrvr.sys，用戶所面對(duì)的中是驅(qū)動(dòng)程序給出的相應(yīng)功能接口;即使是這個(gè)接口，也用高級(jí)語言進(jìn)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(jìn)行編程，形成.vxd和.sys文件，這是真正意義上的驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)用戶有特殊的速度要求時(shí)，后者是較好的方式。這種方式最快、據(jù)Jungo公司的評(píng)測報(bào)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(duì)于對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核了解不多的開發(fā)者，用戶模式無穎是非常值得推薦的。本文重點(diǎn)即是放在這方面。使用用戶模式，這里要特別注意以下幾個(gè)功能函數(shù)：

(1)WD-Open()--獲得驅(qū)動(dòng)程序(指Windrvr.vxd或Windrvr.sys)的句柄，它實(shí)際上是調(diào)用了Create-File()API函數(shù)，在程序開始時(shí)必須調(diào)用;

(2)WD-Close()--釋放驅(qū)動(dòng)程序的句柄，它實(shí)際上是調(diào)用了CloseHandle()API函數(shù)，在程序結(jié)束時(shí)必須調(diào)用;

(3)WD-CardRegister()--負(fù)責(zé)插卡登記項(xiàng)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(xiàng)目的刪除和資源釋放，與前者相對(duì)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(hào)，調(diào)用Interrupt_handler()函數(shù)對(duì)中斷進(jìn)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(duì)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(hào)，不再對(duì)其進(jìn)行處理。在其中集成了WaitForSingleObject()和CloseHandle()這兩個(gè)API函數(shù)。

4 具體示例

下面給出一個(gè)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(yùn)行良好，在Windows2000下也能夠穩(wěn)定運(yùn)行。windrvr.h和windrvr.vxd、windrvr.sys由軟件提供，這里就不詳述。對(duì)于Windows9x系統(tǒng)，注意將windrvr.vxd拷貝到C：\Windows\System\Vmm32目錄下;對(duì)于WindowsNT系統(tǒng)，注意將windrvr.sys拷貝到C：\WINNT\System32\DRIVERS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：

Listem_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(hào)，這個(gè)例子為中斷12

enum{MY_IRQ=12};

//建立全局的WinDriver包柄

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InterruptThreaEnable()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

prinft('截獲中斷的數(shù)目為%d\n',Intrp.dwCounter);

}

//主函數(shù)

int main()

{

WD_CARD_REFISTER cardReg;//建立插卡登記項(xiàng)目的一個(gè)實(shí)例

WD_VERSION verVuf;

hWD=WD_Open();//獲得驅(qū)動(dòng)程序的句柄

if(hWD==INVALID_HANDLE_VALUE)

{

Printf("打開WINDRVR出現(xiàn)錯(cuò)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：%d\n",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,dwIntrrupt=MY_IRQ;

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

cardReg.fGhecklockOnly=True;

WD_CardReguster(hWD,&cardReg);

if(cardReg.hCard==0)

{

prinft('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;

printh('開始中斷線程\');

//這里調(diào)用WD_IntEnable(),并且建立一個(gè)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(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)Windows環(huán)境下對(duì)硬件中斷的直接控制，很方便地在不同系統(tǒng)下進(jìn)行移植。實(shí)踐證明，這種方法是切實(shí)可行，行之有效的。