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(guò)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(hù)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(hù)來(lái)說(shuō)，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。

1 VXD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(shuō)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(guò)消息機(jī)制（這個(gè)消息機(jī)制由VMM32.VXD來(lái)維護(hù)）彼此聯(lián)系。由所有VXDs開(kāi)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(guò)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(xiě)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(wèn)題：

①VMM32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)。

②VMM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(guò)一個(gè)系統(tǒng)API（DevicelOControl（…））來(lái)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(guò)VMM32完成。VXD也可以通過(guò)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(xiě)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(lái)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(yǔ)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(lái)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(yǔ)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(lái)編譯并連接生成VXD，可有可無(wú)）。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(shū)目或其它文獻(xiàn)中找到相關(guān)文檔的說(shuō)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(méi)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(lái)維護(hù)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(lái)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(yǔ)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(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(lái)的VPICD服務(wù)中需要提供）。VPICD_IRQ_Descriptor結(jié)構(gòu)體的組成為：

typedef struct VPICD_IRQ_Descriptor{

USHORT VID_IRQ_Number; //IRQ號(hào)（0～15）

USHORT VID_Options; //標(biāo)志位選項(xiàng)

ULONG VID_Hw_Int_Proc; //硬件中斷服務(wù)程序的地址

ULONG VID_Virt_Int_Proc; //虛擬中斷服務(wù)程序

ULONG VID_Mask_Change_Proc //Mask Change調(diào)用例程

ULONG VID_IRET_Proc； //IRET調(diào)用例程

ULONG VID_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

ULONG VID_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：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(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(lèi)型為BYTE、名為readin的內(nèi)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(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)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(xiě)功能

if(!p->lpvOutBuffer||p->cbOutBuffer1)

{ //輸出緩存的有效性檢查

return ERROR_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(kāi)com1中斷

return 0;

case 2: //端口讀功能

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

{ //數(shù)據(jù)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(lái)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(lái)的各個(gè)參數(shù)。這個(gè)結(jié)構(gòu)的組成如下：

Typedef stunct DIOCParams{

DWORD Internall; //指向客戶(hù)寄存器的指針

DWORD VMHande； //該VM的句柄

DWORD Internal2； //指向DDB結(jié)構(gòu)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(jìn)來(lái)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(jìn)來(lái)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(jìn)來(lái)的重疊I/O塊結(jié)構(gòu)

DWORD hDevice; //Ring3層呼叫應(yīng)用程序句柄

DWORD tagProcess; //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(yǔ)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(lái)初始化串口以便接收字節(jié)數(shù)據(jù)；函數(shù)BOOL serial_out（DWORD pBuffer）是讓串口發(fā)出一個(gè)字節(jié)。它們的函數(shù)體分別如下：

BOOL serial_out(DWORD pBuffer){

if(pBuffer= =NULL){

return FALSE;

}

_asm {

pushfd

cli

push eax

push edx

mov dx,0x3fb ;設(shè)置COM1的波特率

mov al,0x83

out dx,al

mov dx,0x3f8

mov al,12

out dx,al

mov dx,0x3f9

mov al,0

out dx,al

mov dx,0x3fb ;設(shè)置COM1的線控項(xiàng)

mov al,3

out dx,al

mov dx,0x3f9 ;CMM1關(guān)中斷

mov al,0

out dx,al

mov dx,0x3fa ;關(guān)閉com1的FIFO功能

mov al,0

out dx,al

mov dx,0x3f8 ;字節(jié)發(fā)送

mov al,byte ptr [pBuffer]

out dx,al

pop edx

pop eax

popfd

sti

}

return TRUE;

}

serial_out這個(gè)函數(shù)體的實(shí)現(xiàn)是用匯編語(yǔ)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(yǔ)言編寫(xiě)會(huì)簡(jiǎn)化代碼。因?yàn)榇舜趥鬏斨校玫搅岁P(guān)閉中斷的指令（cli），所以，當(dāng)寫(xiě)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(lái)，但cli指令有效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)問(wèn)題，所以還是要謹(jǐn)慎使用。

Void open_int(void){

_asm{

mov dx,0x3f9 ;COM1開(kāi)中斷

mov al,0x05

out dx,al

}

return;

}

open_int函數(shù)用來(lái)把PC串口的中斷設(shè)備按照需要設(shè)立起來(lái)。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Rx data ready和Line status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PC16550 UART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(lái)討論。

3 Win32客戶(hù)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(hù)程序來(lái)進(jìn)行測(cè)試。在網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（http://www.dpj.com.cn）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(méi)有一個(gè)集成開(kāi)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vc98u30446目錄下。

4 結(jié)論

通過(guò)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(lái)的時(shí)延問(wèn)題，很好地解決了在Windows平臺(tái)下實(shí)時(shí)通信的問(wèn)題。