Windows9x/NT及2000下中断驱动程序的统一化处理
2009-05-06
作者：杨 波 张玘 戴 路 李 剑
摘 要: 针对Windows9x/NT及Windows2000操作系统，利用Windriver工具包，实现了在多种操作系统下对硬件中断驱动程序进行统一化处理，保证了程序在不同的操作系统下良好的移植性和兼容性，并给出了用C语言编写的程序实例。
关键词: Windows9x/NT/2000 虚拟设备驱动程序(VxD) Windriver工具包 中断驱动程序的统一化处理
Windows以其友好的图形用户界面，使得它不仅成为办公管理首选的操作系统，也日益受到工程技术人员的关注，逐渐取代DOS而成为主流的工程应用控制平台。但是，Windows系统为了保证平台的安全与完整性，对系统底层操作采取了屏蔽的策略，利用VxD将用户与硬件隔离开来。 在Windows9x(95、97、98)下，用户如果需要实现对硬件的中断、DMA或存储空间物理地址等资源进行访问，必须通过设备驱动程序来进行硬件操作;而在WindowsNT下，即使是简单的I/O操作，也需要编写驱动程序方能与硬件打交道。
Windows操作系统的主流目前是Windows9x和WindowsNT，而已经推出的Windows2000是以WindowsNT为主要框架的。由于Windows9x和WindowsNT两者在系统核心上有质的不同，所以即使对于同样一个硬件，在两者下的驱动程序也有很大的区别。因此，一般而言，需要针对不同的操作系统编写不同的驱动程序。
兼容X86指令的微机CPU运行时有4个优先级，Ring0～Ring3。操作系统与驱动程序运行在Ring0级，可以对所有硬件资源进行控制;用户程序运行在Ring3级，对资源控制受到一些限制。而对于Ring0级的驱动程序而言，它的编写和调试通常需要对操作平台的运行机制有较深的了解，从而要求程序开发者掌握Windows9x、NT及Windows2000的内核管理机制，对于开发人员来讲这有相当大的难度。 在这里，笔者使用了美国Jungo公司出品的WinDriver工具包，利用其绕过了对操作系统内核的学习掌握这个难点，并且在不更改程序代码的前提下，完成了在多个操作系统下对硬件中断的一致处理，很方便地解决了硬件与程序在不同系统下的移植问题。
1 Windows下硬件中断的管理机制
在多任务的环境里，硬件设备中断管理程序是非常重要的系统级程序。它不仅要把硬件发生的中断时间传给相应的驱动程序，还要允许某些设备驱动程序处理它们特殊的中断服务。在Windows平台下，VPICD(虚拟可编程中断控制器)就是这样的硬件设备管理程序，它负责管理所有的硬件中断时间。VPICD通过一个缺省机制触发驻留在VM(虚拟机)内的中断处理函数。它完全允许VxD根据其需要而重载中断处理函数。PC机的硬件中断需要确定硬件中断的IRQS(中断申请号)，对一个特定的IRQ中断源，VPICD或提供缺省的中断处理函数，或允许其它VxD重载中断处理函数。
VPICD提供的缺省中断处理是:首先置中断禁止，再触发相应VM中的中断处理函数。因为VPICD实现了对PPIC(物理可编程中断控制器，如8259中断控制器)的虚拟化，所以当VM中的中断处理函数发送EOI(中断处理结束指令)时，VPICD即对PPIC发EOI指令。最后，VPICD控制处理函数的返回操作，恢复中断，并置VM状态为VM进入中断前的状态。当VPICD对某些中断的缺省处理不够充分或则不太合适时，就需要亲手编写一个VxD，在其中实现中断的虚拟化。VxD将决定如何处理硬件中断以及如何调用VM中的中断处理函数。
下面将要详述的WinDriver对中断处理作了很好的封装，将对VPICD和VM的控制和处理以及某些特殊的驱动要求封装在经过严格调试的WinDriver.vxd和WinDriver.sys中，并对调用驱动程序的API(应用编程接口)函数进行了系统集成，让使用者直接面对用高级语言集成好的类库和函数接口，从而大大降低了程序开发的难度，缩短了开发周期。
2 WinDriver工具包简介
WinDriver是美国Jungo公司出品的用于编写驱动程序的一种工具包，主要针对ISA/PCI插卡，4.2版本以后还提供了USB的开发工具。最新版本4.40版所编写的程序兼容性十分强大，包括了Windows9x、Windows NT、Windows2000、Windows CE、Linux、Solaris(Intel)、VxWorks (Intel) 、OS/2等诸多操作平台。WinDriver主要包括一个WinDriverWizard、一个WinDriver发行包、多个公用程序以及大量的例程。
(1)WinDriverWizard
这是一个友好的Windows向导界面。运行WinDriverWizard，它可以让你立即接触到硬件而不用写一句有关的代码。这种便利来自于它的自动检测功能。对于ISA插卡，用户可以直接利用它来读写卡上的内存、I/O地址、寄存器以及侦听中断。对于PCI插卡，除了上面的基本功能外，还可以方便地读写PCI的配置信息。
在此之后，通过选择“GenerateCode”选项，WinDriverWizard会为你的插卡产生基本的程序代码。4.2版本以后还提供了多种编程语言选择，几乎包括了所有流行的编程语言，如VC4?觸VC6、Borland C++Builder3?觸4、Pascal、Delphi、Linuxmake、Solariesmake等等。这就让用户不必去学新的编程语言，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等多个公用程序。pci_scan可以给出安装的PCI卡及系统为它们分配资源的列表;pci_dump则负责得到已安装的PCI卡的系统配置信息;pci_diag兼有两者功能;isapnp_scan为用户指出了即插即用的ISA插卡的有关信息;wdreg为用户提供了修改注册表的工具，可以用来方便地安装用户编写的程序;wddebug则是一个用于调试用户程序的有效工具。
(3)大量例程
WinDriver提供了许多例程，使用者可以利用它们来产生自己驱动程序的基本框架。与此同时，在WinDriver提供的在线帮助里，可以查到许多WinDriver封装好的功能函数。这些函数能够方便地实现中断处理、DMA传输、I/O操作、内存映射以及即插即用等功能。而且对于常用的PCI桥芯片，如PLX9050、PLX9060、PLX9080、AMCC5923、AMCC5933、V3、ALTERA、GT64等等，提供了特定的检测程序和相应的API函数，大大减轻了用户的编程难度。
3 WinDriver的驱动程序编程模式原理
WinDriver编程有两种模式。一种模式是用户模式，这种模式实际上不是让用户来编驱动程序，而是利用软件自身提供的驱动程序Windrvr.vxd和Windrvr.sys，用户所面对的只是驱动程序给出的相应功能接口;即使是这个接口，也用高级语言进行了很好的封装，使用十分容易。另一种模式是“核心插入”模式用KernelPlugIn方式进行编程，形成.vxd和.sys文件，这是真正意义上的驱动程序。当用户有特殊的速度要求时，后者是较好的方式。这种方式最快，据Jungo公司的评测报告中讲，可以在一秒钟内处理100，000次中断，笔者在硬件中尝试了一下10，000次中断/秒，获得了成功。
对于对操作系统内核了解不多的开发者，用户模式无疑是非常值得推荐的。本文重点即是放在这方面。使用用户模式，这里要特别注意以下几个功能函数:
(1) WD_Open()——获得驱动程序(指Windrvr.vxd或Windrvr.sys)的句柄，它实际上是调用了CreateFile()API函数，在程序开始时必须调用;
(2) WD_Close()——释放驱动程序的句柄，它实际上是调用了CloseHandle()API函数，在程序结束时必须调用;
(3) WD_CardRegister()——负责插卡登记项目的建立和资源分配，资源包括I/O操作、内存分配、中断处理等。它调用了DeviceIOControl()API函数;
(4) WD_CardUnRegister()——负责插卡登记项目的删除和资源释放，与前者相对应，也调用了DeviceIOControl()API函数;
(5) InterruptThreadEnable()-中断使能，使能后可以接收中断信号，调用Interrupt_handler()函数对中断进行相应处理。在其中集成了CreateThread()API函数;
(6) Interrupt_handler()-中断处理函数，开发者在这里加入自己对硬件的控制代码。
(7) InterruptThreadDisable()-使中断无效的函数，屏蔽掉中断信号，不再对其进行处理。在其中集成了WaitForSingleObject()和CloseHandle()这两个API函数。
4 具体示例
下面给出一个用户模式的具体示例。用VisualC++6编译调试通过，在Windows9x和WindowsNT下系统运行良好，在Windows2000下也能够稳定运行。windrvr.h和windrvr.vxd、windrvr.sys由软件提供，这里就不详述。对于Windows9x系统，注意将windrvr.vxd拷贝到C:WindowsSystemVmm32目录下;对于WindowsNT系统，注意将windrvr.sys拷贝到C：WINNTSystem32DRIVERS目录下。Listen_Interupt.C程序框架如下，该程序实现了中断12的截获:
Listen_Interupt.c源程序
//应包含的头文件
#include ″../../include/windrvr.h″
#include ″../../include/windrvr_int_thread.h″
#include
//设置自己的中断号，这个例子为中断12
enum {MY_IRQ=12}；
//建立全局的WinDriver句柄
HANDLE hWD；
//建立中断结构
WD_INTERRUPT Intrp；
Static char line[256]；
//中断处理过程，你可以用pData来传递从InterruptThreadEnable()得来的信息
VOID interrupt_handler(PVOID pData)
{
//在这里加入你要做的中断处理代码
printf(″截获中断的数目为%dn″，Intrp.dwCounter)；
}
//主函数
int main()
{
WD_CARD_REGISTER cardReg；//建立插卡登记项目的一个实例
WD_VERSION verBuf；
hWD=WD_Open()；//获得驱动程序的句柄
if(hWD==INVALID_HANDLE_VALUE)
{
printf(″打开WINDRVR出现错误!n″)；
return0；
}
BZERO(verBuf)；
WD_Version(hWD，&verBuf)；
if(verBuf.dwVer { printf(″WINDRVR版本不正确，这里需要的版本为:%dn″，WD_VER)； return0； } //初始化cardReg，这是程序的重要部分 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(″无法锁定设备!″)； } 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(″开始中断线程n″)； //这里调用WD_IntEnable()，并且建立一个中断处理的线程 if(!InterruptThreadEnable(&thread_handle，hWD，&Intrp，&interrupt_handler，NULL)) { printf(″中断使能失败!n″)； } else { //callyourdrivercodehere printf(″敲回车键不再进行中断截获n″)； gets(line)； //这里调用禁止截获中断的函数:WD_IntDisable() InterruptThreadDisable(&thread_handle)； } //释放所登记的资源 WD_CardUnregister(hWD，&cardReg)； } //删除驱动程序的句柄。 WD_Close(hWD)； return0； } 按照本文给出的技术方案，掌握必要的Windows编程技术，即可以成功地实现Windows环境下对硬件中断的直接控制，很方便地在不同系统下进行移植。实践证明，这种方法是切实可行，行之有效的。 参考文献 1 张玘，杨 波，戴 路.Windows9x、NT及Windows2000下对硬件的直接操作访问.微计算机信息，2000(5) 2 杨强，李堂秋.Win9x虚拟设备驱动程序编程指南. 北京:清华大学出版社，1999(6) 3 ArtBaker著，科欣翻译组译.WindowsNT设备驱动程序设计指南.北京:机械工业出版社，1997