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- 燕山大学
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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。 |
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