摘要：討論Windows虛擬設備驅動（VXD）技術，并采用此項技術示范性地做出應用于PC串口實時通信的虛擬驅動程序，找到一種可以在PC中實現(xiàn)實時通信的途徑。

    關鍵詞：VXD 實時 串口通信

引言

在微軟的視窗操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)內核掌管所有的應用程序，通過獨特的任務調度算法實現(xiàn)CPU的分時多任務處理方式。多任務處理對大多數(shù)用戶可能是件好事，但是對那些想把實時通信建立在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的單任務更具吸引力。在視窗操作系統(tǒng)里可以進行實時通信和控制碼？答案是：VXD技術可以幫我們在獲取友好的人機界面的同時還擁有很強的實時性。

1 VXD技術解析

VXD技術可追溯到Windows3.1，它的引入就是要讓操作系統(tǒng)實現(xiàn)多工以及硬件資源的共享。為了支持多個MS-DOS任務同時執(zhí)行，Windows98讓每個MS-DOS應用程序在各自的虛擬機（VM）上運行，各自互不相干；而所有的Widnows應用程序卻都在一個虛擬機上運行。圖1所示的結構框圖很好地說明了Windows98的整體架構。

圖1中，由眾多的VXD組成系統(tǒng)級代碼處于最底層。其中，處于中心地位的是一名為VMM32的VXD，它負責協(xié)調和管理所有的VXDs。其它VXDs則通過消息機制（這個消息機制由VMM32.VXD來維護）彼此聯(lián)系。由所有VXDs開放出的服務接口（API）組成了一個服務網，它們彼此通過合作的方式，提供Windows98的系統(tǒng)底層驅動服務。

從以上Windows98系統(tǒng)架構可以看出，要想在視窗平臺下獲取很強的實時性，僅靠提升應用程序線程優(yōu)先級的方法是不夠的。因為Win32應用程序代碼屬于Ring3級，而VXD代碼則屬于Ring0級；采用VXD撰寫的實時通信程序可以完全不受代碼限制，可以直接對硬件進行操作。VXD的這個特點正是實時通信建立所必須的。

設計實時通信的VXD前，先解釋以下幾個問題：

①VMM32使用VPICD.VXD虛擬化每個硬件和軟件中斷。VMM32為每個虛擬機（VM）維護一個IDT結構，當中斷發(fā)生時，CPU先保護中斷現(xiàn)場，然后經由當前VM的IDT把這個中斷引導至相應的中斷處理程式。

中斷的虛擬化，使我們有機會給每個中斷提供新的中斷處理函數(shù)，并可以讓多個硬件共享同一個中斷號。VPICD.VXD為我們提供這些服務。

②VMM有兩個調度器，用以在多個線程和VMs之間實現(xiàn)搶占式多工。主調度器負責選定下一個將被執(zhí)行的線程。這個選擇可以是一個，也可以是多個。然后，主調度器把選擇結果送給所謂的時間片調度器，并由后者完成各個應用程序間的時間片分配。調度器也時應用程序經由呼叫Win32線程優(yōu)先調整API（如SetThreadPriority和SetPriorityClass等）做出回應。當中斷發(fā)生時，VMM32自動提升中斷處理函數(shù)所在VM之優(yōu)先級，保證中斷處理函數(shù)能及時被執(zhí)行。

③VXD和Win32應用程序可直接通信。Win32應用程序可通過一個系統(tǒng)API（DevicelOControl（…））來呼叫位于底層的VXD為其服務。在呼叫VXD前，首先必須調用CreatFile（…）這個API加載該VXD（如果該VXD是一個靜態(tài)VXD，則不用加載）。所有的呼叫動作其實都通過VMM32完成。VXD也可以通過消息方式和位于上層的Win32應用程序通信。She11.VXD為所有希望以消息機制和Win32應用程序通信的VXD提供了這一服務。

以上是編寫一個串口通信驅動需要的系統(tǒng)層面知識。對于Windows底層的了解。

2 用VXD實現(xiàn)一個實時串口通信驅動

接下來用VXD技術實現(xiàn)一個實時串行通信的驅動。這個VXD是一個動態(tài)（Dynamic）VXD，當它的服務被呼叫時，VMM32會動態(tài)加載這個VXD。作者采用的工具是C+98DDK。當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。

用C來實現(xiàn)一個VXD驅動，需要準備如下條件：一個.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.C的函數(shù)實現(xiàn)文件（在其中完成自己函數(shù)實體），一個.DEF的定義文件（在其中定義VXD中各個段的別名并匯成一個DDB）和一個.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中找到相關文檔的說明。

這個串口通信驅動程序的功能是：實時送出一個Byte的數(shù)據，實時接收一個Byte的數(shù)據。作為演示之用，并沒有加入其它代碼。該VXD驅動主要由如下3個系統(tǒng)消息（由VMM32來維護和管理）處理函數(shù)組成，其代碼如下：

（1）OnSysDynamicDeviceInit()函數(shù)

BOOL OnSysDynamicDeviceInit()

{ //OnSysDynamicDeviceInit

irqhandle=VPICD_Virtualize_IRQ((DWORD)(&irq4))；

if(irqhandle= =0){

return FALSE;

}

return TRUE; //OnSysDynamicDeviceInit

}

該函數(shù)用來完成VXD初始化所做的工作。在本例中，由于實時監(jiān)視串口中斷的需要，要給COM1的中斷安裝一個自定義的斷服務函數(shù)。98DDK已經提供了這個函數(shù)的C語言版，其原型是HIRQ static VPICD_Virtualize_IRQ（PVID pvid）,在vpicd.h中。該函數(shù)需要一個指針作為參數(shù)（指向名為VPICD_IRQ_Descriptor的結構體），函數(shù)傳回一個指向該虛擬IRQ的句柄（該句柄在后來的VPICD服務中需要提供）。VPICD_IRQ_Descriptor結構體的組成為：

typedef struct VPICD_IRQ_Descriptor{

USHORT VID_IRQ_Number; //IRQ號（0～15）

USHORT VID_Options; //標志位選項

ULONG VID_Hw_Int_Proc; //硬件中斷服務程序的地址

ULONG VID_Virt_Int_Proc; //虛擬中斷服務程序

ULONG VID_Mask_Change_Proc //Mask Change調用例程

ULONG VID_IRET_Proc； //IRET調用例程

ULONG VID_IRET_Time_Out； //在Vm的進程優(yōu)先級提升之前的最大等待時間

ULONG VID_Hw_Int_Ref； //硬件中斷服務程序的數(shù)據存放地址

}VID；

其中只用到三位。在本例中需要聲明一個名為irq4的全局變量為VID結構，并付給如下初值：VID irq4={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void hwproc(void),該函數(shù)的原型如下：

void hwproc(void){

_asm{

mov dx,0x3f8

in al,dx

mov byte ptr [readin],al

clc

}

return;

}

在這個中斷處理中，僅僅從COM1的數(shù)據寄存器（地址為3F8h）中讀取接收到的數(shù)值，并把該數(shù)值存放在一個類型為BYTE、名為readin的內存中。

（2）OnSysDynamicDeviceExit()函數(shù)

BOOL OnSysDynamicDeviceExit()

{

VPICD_Force_Default_Behavior(irqhandle);

//解除IRQ4虛擬化

return TRUE;

} //OnSysDynamicDeviceExit

該數(shù)提供了用于善后處理VXD在卸載時需要完成的事件。在本例中，和VXD初始化對應，需要解除對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)void static_inline VPICD_Force_Default_Behavior(HIRQ hirp)。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)

DWORD OnDeviceIoControl(PDIOCPARAMETERS p){

Switch (p->dwIoControlCode)

{

case 1: //端口寫功能

if(!p->lpvOutBuffer||p->cbOutBuffer<1)

{ //輸出緩存的有效性檢查

return ERROR_INVALID_PARAMETER；

}

if(serial_out((DWORD)(p->lpvInBuffer)))

{ //數(shù)據發(fā)送

*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=*(BYTE*)(p->lpvInBuffer)；

}

else{

*(BYTE*)(p->lpvOutBuffer)=0;

}

open_int(); //打開com1中斷

return 0;

case 2: //端口讀功能

if(*(BYTE*)reading= =0x00)

{ //數(shù)據讀入

*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=0x00;

return 0;

}

*(BTYE*)(p->lpvOutBuffer)=*(BYTE*)（readin）;

return 0;

}

return 0;

}

return 0;

}

OnDeviceIoControl函數(shù)用來處理Win32應用程序對VXD的呼叫。Win32應用程序的呼叫會讓VMM32送給該VXD一個系統(tǒng)信息，并傳遞進一個DIOCPARAMETERS結構的指針。該結構里包含Win32應用程序呼叫時傳遞進來的各個參數(shù)。這個結構的組成如下：

Typedef stunct DIOCParams{

DWORD Internall; //指向客戶寄存器的指針

DWORD VMHande； //該VM的句柄

DWORD Internal2； //指向DDB結構的指針

DWORD dwIoConrolCode; //DeviceIoControl例程中呼叫的控制碼

DWOD lpvInBuffer; //DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進來的輸入緩沖區(qū)地址

DWORD cbInBuffer; //輸入緩沖區(qū)的大小

DWORD lpvOutBuffer； //DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進來的輸出緩沖區(qū)地址

DWORD cbOutBuffer; //輸出緩沖區(qū)的大小

DWORD lpcbBytesReturned； //拷貝到輸出緩沖區(qū)中的字節(jié)數(shù)（可以為NULL）

DWORD lpOverlapped； //DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進來的重疊I/O塊結構

DWORD hDevice; //Ring3層呼叫應用程序句柄

DWORD tagProcess; //例程標簽

}

DIOPARAMETERS;

其中，dwIoControlCode指明了Win32應用程序需要VXD提供的哪一項服務。在本例中采用一個switch-case語句作為服務入口，如下所示。其中服務1為讓串口送出一個字節(jié)，服務2為讀取一個已經由串口接收的字節(jié)。函數(shù)open_int()是用來初始化串口以便接收字節(jié)數(shù)據；函數(shù)BOOL serial_out（DWORD pBuffer）是讓串口發(fā)出一個字節(jié)。它們的函數(shù)體分別如下：

BOOL serial_out(DWORD pBuffer){

if(pBuffer= =NULL){

return FALSE;

}