Windows下硬件中断虚拟设备驱动程序开发工具和编程方法
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操作上产生撔槟铍效果。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。
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vtoolsd 2.03、vc++5.0为自制的pc/xt总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断，中断由应用程序动态载入系统的audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序isr（interruptservice routine）结束后，调用函数shell_postmessage（）向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后，再通过函数deviceiocontrol（）与vxd的接口函数onw32deviceiocontrol（ ）互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载vxd。
当中断发生时，处理器转换为ring0级保护模式。windows系统并不像dos那样通过中断描述符表idt（interruptdescriptortable）直接指向中断处理过程，而是由idt入口指向vmm中的程序。该程序将判断是否为中断调用，如果是，则把中断控制权交给虚拟可编程中断控制器vpicd（virtualprogrammable interrupt controllerdevice），vpicd实际上是一个重要的vxd。vpicd再将其交给另一个注册了该中断的vxd（如audcard.vxd）来处理。vxd程序是通过调用vpicd服务vpicd_virtualize_irq来注册中断的。
虚拟设备驱动程序audcard.vxd的部分源代码audcard.h和audcard.cpp在网上，此应用程序使用了下列函数：createfile（）动态加载vxd、closehandle（）并动态卸载vxd、pretranslatemessage（）截获消息、deviceiocontrol（）与vxd互传缓冲区数据。虚拟设备驱动程序audcard.vxd经调试后工作正常，未发生过任何丢失数据或死机的现象。
下面是虚拟设备驱动程序audcard.vxd的部分源代码audcard.h和audcard.cpp，限于篇幅，由quickvxd自动生成的audcard.mak未列出。
①audcard.h
//audcard.h - include file for vxd audcard
#include
#define device_class audcarddevice
#define
audcard_deviceid undefined_device_id
#define audcard_init_order
undefined_init_order#define audcard_major
#define audcard_minor 0
#define my_irq 5 //定义5号中断
class myhwint:public vhardwareint
{
public:
myhwint（）：vhardwareint（my_irq,0,0,0）{}
virtual void onhardwareint（vmhandle）；
};
class audcarddevice :
public vdevice
{
public:
virtual bool
onsysdynamicdeviceinit（）；
virtual bool onsysdynamicdeviceexit（）；
virtual dword onw32deviceiocontrol（pioctlparams pdiocparams）；
myhwint* pmyirq;
};
class audcardvm : public
vvirtualmachine
{
public:
audcardvm（vmhandle hvm）；
};
class audcardthread : public vthread
{
public:
audcardthread（threadhandle hthread）；
};
②audcard.cpp
//audcard.cpp - main module for vxd audcard
#define device_main
#include audcard.h
declare_virtual_device（audcard）
#define wm_user_postvxd
0x1000
//自定义消息
#undef device_main
audcardvm::audcardvm（vmhandle hvm） : vvirtualmachine（hvm） {}
audcardthread::audcardthread（threadhandle hthread） :
vthread（hthread） {}
bool audcarddevice::onsysdynamicdeviceinit（）
//动态加载时初始化
{
……//硬件初始化
pmyirq=new myhwint（）；
if（pmyirq&&pmyirq->hook（）） //挂接中断
{
pmyirq->physicalunmask（）； //允许中断
return true;
}
else return false;
}
bool
audcarddevice::onsysdynamicdeviceexit（）
//动态卸载过程
{
delete pmyirq;
return true;
}
dword
audcarddevice::onw32deviceiocontrol（pioctlparams pdiocparams）
//与win32应用程序的接口函数
{
……
}
void
myhwint::onhardwareint（vmhandle hvm）
{
…… // 中断处理
shell_postmessage（appwnd,wm_user_postvxd ,0,0,0,null）；
//向应用程序窗口发送消息
sendphysicaleoi（）； //通知vpicd中断结束
}
用vtoolsd 2.03、vc++ 5.0为自制的pc/xt总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断，中断由应用程序动态载入系统的audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序isr（interrupt service routine）结束后，调用函数shell_postmessage（ ）向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后，再通过函数deviceiocontrol（ ）与vxd的接口函数onw32deviceiocontrol（ ）互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载vxd。
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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有了权限级别，操作系统就有机会在中断和i／o操作上产生撔槟铍效果。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。
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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。
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vtoolsd 2.03、vc++5.0为自制的pc/xt总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断，中断由应用程序动态载入系统的audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序isr（interruptservice routine）结束后，调用函数shell_postmessage（）向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后，再通过函数deviceiocontrol（）与vxd的接口函数onw32deviceiocontrol（ ）互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载vxd。
当中断发生时，处理器转换为ring0级保护模式。windows系统并不像dos那样通过中断描述符表idt（interruptdescriptortable）直接指向中断处理过程，而是由idt入口指向vmm中的程序。该程序将判断是否为中断调用，如果是，则把中断控制权交给虚拟可编程中断控制器vpicd（virtualprogrammable interrupt controllerdevice），vpicd实际上是一个重要的vxd。vpicd再将其交给另一个注册了该中断的vxd（如audcard.vxd）来处理。vxd程序是通过调用vpicd服务vpicd_virtualize_irq来注册中断的。
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下面是虚拟设备驱动程序audcard.vxd的部分源代码audcard.h和audcard.cpp，限于篇幅，由quickvxd自动生成的audcard.mak未列出。
①audcard.h
//audcard.h - include file for vxd audcard
#include
#define device_class audcarddevice
#define
audcard_deviceid undefined_device_id
#define audcard_init_order
undefined_init_order#define audcard_major
#define audcard_minor 0
#define my_irq 5 //定义5号中断
class myhwint:public vhardwareint
{
public:
myhwint（）：vhardwareint（my_irq,0,0,0）{}
virtual void onhardwareint（vmhandle）；
};
class audcarddevice :
public vdevice
{
public:
virtual bool
onsysdynamicdeviceinit（）；
virtual bool onsysdynamicdeviceexit（）；
virtual dword onw32deviceiocontrol（pioctlparams pdiocparams）；
myhwint* pmyirq;
};
class audcardvm : public
vvirtualmachine
{
public:
audcardvm（vmhandle hvm）；
};
class audcardthread : public vthread
{
public:
audcardthread（threadhandle hthread）；
};
②audcard.cpp
//audcard.cpp - main module for vxd audcard
#define device_main
#include audcard.h
declare_virtual_device（audcard）
#define wm_user_postvxd
0x1000
//自定义消息
#undef device_main
audcardvm::audcardvm（vmhandle hvm） : vvirtualmachine（hvm） {}
audcardthread::audcardthread（threadhandle hthread） :
vthread（hthread） {}
bool audcarddevice::onsysdynamicdeviceinit（）
//动态加载时初始化
{
……//硬件初始化
pmyirq=new myhwint（）；
if（pmyirq&&pmyirq->hook（）） //挂接中断
{
pmyirq->physicalunmask（）； //允许中断
return true;
}
else return false;
}
bool
audcarddevice::onsysdynamicdeviceexit（）
//动态卸载过程
{
delete pmyirq;
return true;
}
dword
audcarddevice::onw32deviceiocontrol（pioctlparams pdiocparams）
//与win32应用程序的接口函数
{
……
}
void
myhwint::onhardwareint（vmhandle hvm）
{
…… // 中断处理
shell_postmessage（appwnd,wm_user_postvxd ,0,0,0,null）；
//向应用程序窗口发送消息
sendphysicaleoi（）； //通知vpicd中断结束
}
用vtoolsd 2.03、vc++ 5.0为自制的pc/xt总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断，中断由应用程序动态载入系统的audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序isr（interrupt service routine）结束后，调用函数shell_postmessage（ ）向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后，再通过函数deviceiocontrol（ ）与vxd的接口函数onw32deviceiocontrol（ ）互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载vxd。
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