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采用VXD技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)的通信
摘要：討論Windows虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)（VXD）技術(shù)，并采用此項(xiàng)技術(shù)示范性地做出應(yīng)用于PC串口實(shí)時(shí)通信的虛擬驅(qū)動(dòng)程序，找到一種可以在PC中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信的途徑。關(guān)鍵詞：VXD實(shí)時(shí)串口通信
引言
在微軟的視窗操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)核掌管所有的應(yīng)用程序，通過獨(dú)特的任務(wù)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)CPU的分時(shí)多任務(wù)處理方式。多任務(wù)處理對(duì)大多數(shù)用戶可能是件好事，但是對(duì)那些想把實(shí)時(shí)通信建立在Windows操作系統(tǒng)上的特殊用戶來說，操作界面的圖形化并不比MS-DOS的單任務(wù)更具吸引力。在視窗操作系統(tǒng)里可以進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和控制碼？答案是：VXD技術(shù)可以幫我們?cè)讷@取友好的人機(jī)界面的同時(shí)還擁有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。
1VXD技術(shù)解析
VXD技術(shù)可追溯到Windows3.1，它的引入就是要讓操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多工以及硬件資源的共享。為了支持多個(gè)MS-DOS任務(wù)同時(shí)執(zhí)行，Windows98讓每個(gè)MS-DOS應(yīng)用程序在各自的虛擬機(jī)（VM）上運(yùn)行，各自互不相干；而所有的Widnows應(yīng)用程序卻都在一個(gè)虛擬機(jī)上運(yùn)行。圖1所示的結(jié)構(gòu)框圖很好地說明了Windows98的整體架構(gòu)。
圖1中，由眾多的VXD組成系統(tǒng)級(jí)代碼處于最底層。其中，處于中心地位的是一名為VMM32的VXD，它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理所有的VXDs。其它VXDs則通過消息機(jī)制（這個(gè)消息機(jī)制由VMM32.VXD來維護(hù)）彼此聯(lián)系。由所有VXDs開放出的服務(wù)接口（API）組成了一個(gè)服務(wù)網(wǎng)，它們彼此通過合作的方式，提供Windows98的系統(tǒng)底層驅(qū)動(dòng)服務(wù)。
從以上Windows98系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，要想在視窗平臺(tái)下獲取很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，僅靠提升應(yīng)用程序線程優(yōu)先級(jí)的方法是不夠的。因?yàn)閃in32應(yīng)用程序代碼屬于Ring3級(jí)，而VXD代碼則屬于Ring0級(jí)；采用VXD撰寫的實(shí)時(shí)通信程序可以完全不受代碼限制，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。VXD的這個(gè)特點(diǎn)正是實(shí)時(shí)通信建立所必須的。
設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)通信的VXD前，先解釋以下幾個(gè)問題：
�、賄MM32使用VPICD.VXD虛擬化每個(gè)硬件和軟件中斷。VMM32為每個(gè)虛擬機(jī)（VM）維護(hù)一個(gè)IDT結(jié)構(gòu)，當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，CPU先保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，然后經(jīng)由當(dāng)前VM的IDT把這個(gè)中斷引導(dǎo)至相應(yīng)的中斷處理程式。
中斷的虛擬化，使我們有機(jī)會(huì)給每個(gè)中斷提供新的中斷處理函數(shù)，并可以讓多個(gè)硬件共享同一個(gè)中斷號(hào)。VPICD.VXD為我們提供這些服務(wù)。
�、赩MM有兩個(gè)調(diào)度器，用以在多個(gè)線程和VMs之間實(shí)現(xiàn)搶占式多工。主調(diào)度器負(fù)責(zé)選定下一個(gè)將被執(zhí)行的線程。這個(gè)選擇可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)。然后，主調(diào)度器把選擇結(jié)果送給所謂的時(shí)間片調(diào)度器，并由后者完成各個(gè)應(yīng)用程序間的時(shí)間片分配。調(diào)度器也時(shí)應(yīng)用程序經(jīng)由呼叫Win32線程優(yōu)先調(diào)整API（如SetThreadPriority和SetPriorityClass等）做出回應(yīng)。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，VMM32自動(dòng)提升中斷處理函數(shù)所在VM之優(yōu)先級(jí)，保證中斷處理函數(shù)能及時(shí)被執(zhí)行。
③VXD和Win32應(yīng)用程序可直接通信。Win32應(yīng)用程序可通過一個(gè)系統(tǒng)API（DevicelOControl（…））來呼叫位于底層的VXD為其服務(wù)。在呼叫VXD前，首先必須調(diào)用CreatFile（…）這個(gè)API加載該VXD（如果該VXD是一個(gè)靜態(tài)VXD，則不用加載）。所有的呼叫動(dòng)作其實(shí)都通過VMM32完成。VXD也可以通過消息方式和位于上層的Win32應(yīng)用程序通信。She11.VXD為所有希望以消息機(jī)制和Win32應(yīng)用程序通信的VXD提供了這一服務(wù)。
以上是編寫一個(gè)串口通信驅(qū)動(dòng)需要的系統(tǒng)層面知識(shí)。對(duì)于Windows底層的了解。
2用VXD實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)串口通信驅(qū)動(dòng)
接下來用VXD技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)串行通信的驅(qū)動(dòng)。這個(gè)VXD是一個(gè)動(dòng)態(tài)（Dynamic）VXD，當(dāng)它的服務(wù)被呼叫時(shí)，VMM32會(huì)動(dòng)態(tài)加載這個(gè)VXD。作者采用的工具是C+98DDK。當(dāng)然也可以使用其它的工具，如MASM6.11（或更高版本）、VtoolsD。用C搭配DDK完成VXD構(gòu)建的好處是，可以使用C語言完成絕大部分的程序，程序比較容易閱讀和維護(hù)。
用C來實(shí)現(xiàn)一個(gè)VXD驅(qū)動(dòng)，需要準(zhǔn)備如下條件：一個(gè).ASM的匯編語言接口文件（在其中定義VXD要處理的系統(tǒng)消息和輸出API），一個(gè).C的函數(shù)實(shí)現(xiàn)文件（在其中完成自己函數(shù)實(shí)體），一個(gè).DEF的定義文件（在其中定義VXD中各個(gè)段的別名并匯成一個(gè)DDB）和一個(gè).MAK檔（用來編譯并連接生成VXD，可有可無）。在這里，僅給出用C實(shí)現(xiàn)的函數(shù)檔。至于其它的文件，可以從本文所列的參考書目或其它文獻(xiàn)中找到相關(guān)文檔的說明。
這個(gè)串口通信驅(qū)動(dòng)程序的功能是：實(shí)時(shí)送出一個(gè)Byte的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)接收一個(gè)Byte的數(shù)據(jù)。作為演示之用，并沒有加入其它代碼。該VXD驅(qū)動(dòng)主要由如下3個(gè)系統(tǒng)消息（由VMM32來維護(hù)和管理）處理函數(shù)組成，其代碼如下：
�。�1）OnSysDynamic
DeviceInit()函數(shù)
BOOLOnSysDynamicDeviceInit()
{//OnSysDynamicDeviceInit
irqhandle=VPICD_Virtualize_IRQ((DWORD)(&irq4))；
if(irqhandle==0){
returnFALSE;
}
returnTRUE;//OnSysDynamicDeviceInit
}
該函數(shù)用來完成VXD初始化所做的工作。在本例中，由于實(shí)時(shí)監(jiān)視串口中斷的需要，要給COM1的中斷安裝一個(gè)自定義的斷服務(wù)函數(shù)。98DDK已經(jīng)提供了這個(gè)函數(shù)的C語言版，其原型是HIRQstaticVPICD_Virtualize_IRQ（PVIDpvid）,在vpicd.h中。該函數(shù)需要一個(gè)指針作為參數(shù)（指向名為VPICD_IRQ_Descriptor的結(jié)構(gòu)體），函數(shù)傳回一個(gè)指向該虛擬IRQ的句柄（該句柄在后來的VPICD服務(wù)中需要提供）。VPICD_IRQ_Descriptor結(jié)構(gòu)體的組成為：
typedefstructVPICD_IRQ_Descriptor{
USHORTVID_IRQ_Number;//IRQ號(hào)（0～15）
USHORTVID_Options;//標(biāo)志位選項(xiàng)
ULONGVID_Hw_Int_Proc;//硬件中斷服務(wù)程序的地址
ULONGVID_Virt_Int_Proc;//虛擬中斷服務(wù)程序
ULONGVID_Mask_Change_Proc//MaskChange調(diào)用例程
ULONGVID_IRET_Proc；//IRET調(diào)用例程
ULONGVID_IRET_Time_Out；//在Vm的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)提升之前的最大等待時(shí)間
ULONGVID_Hw_Int_Ref；//硬件中斷服務(wù)程序的數(shù)據(jù)存放地址
}VID；
其中只用到三位。在本例中需要聲明一個(gè)名為irq4的全局變量為VID結(jié)構(gòu)，并付給如下初值：VIDirq4={4,0,hwproc,0,0,0,0,500,0}，表示將要虛擬化IRQ4，改變其中斷處理函數(shù)為voidhwproc(void),該函數(shù)的原型如下：
voidhwproc(void){
_asm{
movdx,0x3f8
inal,dx
movbyteptr[readin],al
clc
}
return;
}
在這個(gè)中斷處理中，僅僅從COM1的數(shù)據(jù)寄存器（地址為3F8h）中讀取接收到的數(shù)值，并把該數(shù)值存放在一個(gè)類型為BYTE、名為readin的內(nèi)存中。
�。�2）OnSysDynamicDeviceExit()函數(shù)
BOOLOnSysDynamicDeviceExit()
{
VPICD_Force_Default_Behavior(irqhandle);
//解除IRQ4虛擬化
returnTRUE;
}//OnSysDynamicDeviceExit
該數(shù)提供了用于善后處理VXD在卸載時(shí)需要完成的事件。在本例中，和VXD初始化對(duì)應(yīng)，需要解除對(duì)COM1的中斷IRQ4的虛擬化。作者也是用98DDK在vpicd.h中提供的外包函數(shù)voidstatic_inlineVPICD_Force_Default_Behavior(HIRQhirp)。該函數(shù)唯一需要的參數(shù)便是使用VPICD_Virtualize_IRQ函數(shù)傳回的IRQ句柄。
�。�3）OnDeviceIoControl()函數(shù)
DWORDOnDeviceIoControl(PDIOCPARAMETERSp){
Switch(p->dwIoCon
trolCode)
{
case1://端口寫功能
if(!p->lpvOutBuffer||p->cbOutBuffer<1)
{//輸出緩存的有效性檢查
returnERROR_INVALID_PARAMETER；
}
if(serial_out((DWORD)(p->lpvInBuffer)))
{//數(shù)據(jù)發(fā)送
*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=*(BYTE*)(p->lpvInBuffer)；
}
else{
*(BYTE*)(p->lpvOutBuffer)=0;
}
open_int();//打開com1中斷
return0;
case2://端口讀功能
if(*(BYTE*)reading==0x00)
{//數(shù)據(jù)讀入
*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=0x00;
return0;
}
*(BTYE*)(p->lpvOutBuffer)=*(BYTE*)（readin）;
return0;
}
return0;
}
return0;
}
OnDeviceIoControl函數(shù)用來處理Win32應(yīng)用程序?qū)XD的呼叫。Win32應(yīng)用程序的呼叫會(huì)讓VMM32送給該VXD一個(gè)系統(tǒng)信息，并傳遞進(jìn)一個(gè)DIOCPARAMETERS結(jié)構(gòu)的指針。該結(jié)構(gòu)里包含Win32應(yīng)用程序呼叫時(shí)傳遞進(jìn)來的各個(gè)參數(shù)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的組成如下：
TypedefstunctDIOCParams{
DWORDInternall;//指向客戶寄存器的指針
DWORDVMHande；//該VM的句柄
DWORDInternal2；//指向DDB結(jié)構(gòu)的指針
DWORDdwIoConrolCode;//DeviceIoControl例程中呼叫的控制碼
DWODlpvInBuffer;//DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進(jìn)來的輸入緩沖區(qū)地址
DWORDcbInBuffer;//輸入緩沖區(qū)的大小
DWORDlpvOutBuffer；//DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進(jìn)來的輸出緩沖區(qū)地址
DWORDcbOutBuffer;//輸出緩沖區(qū)的大小
DWORDlpcbBytesReturned；//拷貝到輸出緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)（可以為NULL）
DWORDlpOverlapped；//DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進(jìn)來的重疊I/O塊結(jié)構(gòu)
DWORDhDevice;//Ring3層呼叫應(yīng)用程序句柄
DWORDtagProcess;//例程標(biāo)簽
}
DIOPARAMETERS;
其中，dwIoControlCode指明了Win32應(yīng)用程序需要VXD提供的哪一項(xiàng)服務(wù)。在本例中采用一個(gè)switch-case語句作為服務(wù)入口，如下所示。其中服務(wù)1為讓串口送出一個(gè)字節(jié)，服務(wù)2為讀取一個(gè)已經(jīng)由串口接收的字節(jié)。函數(shù)open_int()是用來初始化串口以便接收字節(jié)數(shù)據(jù)；函數(shù)BOOLserial_out（DWORDpBuffer）是讓串口發(fā)出一個(gè)字節(jié)。它們的函數(shù)體分別如下：
BOOLserial_
out(DWORDpBuffer){
if(pBuffer==NULL){
returnFALSE;
}
_asm{
pushfd
cli
pusheax
pushedx
movdx,0x3fb;設(shè)置COM1的波特率
moval,0x83
outdx,al
movdx,0x3f8
moval,12
outdx,al
movdx,0x3f9
moval,0
outdx,al
movdx,0x3fb;設(shè)置COM1的線控項(xiàng)
moval,3
outdx,al
movdx,0x3f9;CMM1關(guān)中斷
moval,0
outdx,al
movdx,0x3fa;關(guān)閉com1的FIFO功能
moval,0
outdx,al
movdx,0x3f8;字節(jié)發(fā)送
moval,byteptr[pBuffer]
outdx,al
popedx
popeax
popfd
sti
}
returnTRUE;
}
serial_out這個(gè)函數(shù)體的實(shí)現(xiàn)是用匯編語言實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樯婕暗胶芏嗟亩丝谔峁┮约癈PU的標(biāo)志（flag）和壓棧操作，因此考慮到用匯編語言編寫會(huì)簡(jiǎn)化代碼。因?yàn)榇舜趥鬏斨�，用到了關(guān)閉中斷的指令（cli），所以，當(dāng)寫操作所要求完成的任務(wù)很多時(shí)，此關(guān)中斷指令會(huì)讓程序的實(shí)時(shí)性很好地體現(xiàn)出來，但cli指令有效時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)問題，所以還是要謹(jǐn)慎使用。
Voidopen_int(void){
_asm{
movdx,0x3f9;COM1開中斷
moval,0x05
outdx,al
}
return;
}
open_int函數(shù)用來把PC串口的中斷設(shè)備按照需要設(shè)立起來。函數(shù)體很簡(jiǎn)單，僅改變了地址為3F9h的內(nèi)容，意為設(shè)置Rxdataready和Linestatus中斷位，以便讓CPU可以及時(shí)在COM1的中斷服務(wù)程序里讀取串口接收到的字節(jié)。
以上涉及到串口輸入和輸出的函數(shù)體實(shí)現(xiàn)代碼中，用到了PC16550UART的資料。
至此，一個(gè)可用于實(shí)時(shí)串口通信的VXD驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)完成。由于篇幅所限，不能將其它必要的文檔一同提出來討論。
3Win32客戶測(cè)試程序
有了上述VXD驅(qū)動(dòng)程序，還需要搭配一個(gè)Win32客戶程序來進(jìn)行測(cè)試。在網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版中，給出一個(gè)筆者在VC6下編制的一個(gè)控制臺(tái)應(yīng)用程序片斷，以供參考。
現(xiàn)在編制VXD驅(qū)動(dòng)還沒有一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。本文的驅(qū)動(dòng)程序是用VC6.0自帶的編譯器編譯的。由于要編譯匯編文檔，所以還需要把一個(gè)MASM匯編器（要求6.0以上版本）及其相關(guān)文檔拷貝到VC6.0的vc98\u30446目錄下。
4結(jié)論
通過以上對(duì)VXD技術(shù)的簡(jiǎn)要分析以及一個(gè)用VXD實(shí)現(xiàn)的通信驅(qū)動(dòng)可以看出，在Windows操作系統(tǒng)中，采用VXD技術(shù)，可以很好地克服由多工帶來的時(shí)延問題，很好地解決了在Windows平臺(tái)下實(shí)時(shí)通信的問題。
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