VD技术通信管理论文

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摘要：讨论Windows虚拟设备驱动（VXD）技术，并采用此项技术示范性地做出应用于PC串口实时通信的虚拟驱动程序，找到一种可以在PC中实现实时通信的途径。

关键词：VXD实时串口通信

引言

在微软的视窗操作系统中，系统内核掌管所有的应用程序，通过独特的任务调度算法实现CPU的分时多任务处理方式。多任务处理对大多数用户可能是件好事，但是对那些想把实时通信建立在Windows操作系统上的特殊用户来说，操作界面的图形化并不比MS-DOS的单任务更具吸引力。在视窗操作系统里可以进行实时通信和控制码？答案是：VXD技术可以帮我们在获取友好的人机界面的同时还拥有很强的实时性。

1VXD技术解析

VXD技术可追溯到Windows3.1，它的引入就是要让操作系统实现多工以及硬件资源的共享。为了支持多个MS-DOS任务同时执行，Windows98让每个MS-DOS应用程序在各自的虚拟机（VM）上运行，各自互不相干；而所有的Widnows应用程序却都在一个虚拟机上运行。图1所示的结构框图很好地说明了Windows98的整体架构。

图1中，由众多的VXD组成系统级代码处于最底层。其中，处于中心地位的是一名为VMM32的VXD，它负责协调和管理所有的VXDs。其它VXDs则通过消息机制（这个消息机制由VMM32.VXD来维护）彼此联系。由所有VXDs开放出的服务接口（API）组成了一个服务网，它们彼此通过合作的方式，提供Windows98的系统底层驱动服务。

从以上Windows98系统架构可以看出，要想在视窗平台下获取很强的实时性，仅靠提升应用程序线程优先级的方法是不够的。因为Win32应用程序代码属于Ring3级，而VXD代码则属于Ring0级；采用VXD撰写的实时通信程序可以完全不受代码限制，可以直接对硬件进行操作。VXD的这个特点正是实时通信建立所必须的。

设计实时通信的VXD前，先解释以下几个问题：

①VMM32使用VPICD.VXD虚拟化每个硬件和软件中断。VMM32为每个虚拟机（VM）维护一个IDT结构，当中断发生时，CPU先保护中断现场，然后经由当前VM的IDT把这个中断引导至相应的中断处理程式。

中断的虚拟化，使我们有机会给每个中断提供新的中断处理函数，并可以让多个硬件共享同一个中断号。VPICD.VXD为我们提供这些服务。

②VMM有两个调度器，用以在多个线程和VMs之间实现抢占式多工。主调度器负责选定下一个将被执行的线程。这个选择可以是一个，也可以是多个。然后，主调度器把选择结果送给所谓的时间片调度器，并由后者完成各个应用程序间的时间片分配。调度器也时应用程序经由呼叫Win32线程优先调整API（如SetThreadPriority和SetPriorityClass等）做出回应。当中断发生时，VMM32自动提升中断处理函数所在VM之优先级，保证中断处理函数能及时被执行。

③VXD和Win32应用程序可直接通信。Win32应用程序可通过一个系统API（DevicelOControl（…））来呼叫位于底层的VXD为其服务。在呼叫VXD前，首先必须调用CreatFile（…）这个API加载该VXD（如果该VXD是一个静态VXD，则不用加载）。所有的呼叫动作其实都通过VMM32完成。VXD也可以通过消息方式和位于上层的Win32应用程序通信。She11.VXD为所有希望以消息机制和Win32应用程序通信的VXD提供了这一服务。

以上是编写一个串口通信驱动需要的系统层面知识。对于Windows底层的了解。

2用VXD实现一个实时串口通信驱动

接下来用VXD技术实现一个实时串行通信的驱动。这个VXD是一个动态（Dynamic）VXD，当它的服务被呼叫时，VMM32会动态加载这个VXD。作者采用的工具是C+98DDK。当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构建的好处是，可以使用C语言完成绝大部分的程序，程序比较容易阅读和维护。

用C来实现一个VXD驱动，需要准备如下条件：一个.ASM的汇编语言接口文件（在其中定义VXD要处理的系统消息和输出API），一个.C的函数实现文件（在其中完成自己函数实体），一个.DEF的定义文件（在其中定义VXD中各个段的别名并汇成一个DDB）和一个.MAK档（用来编译并连接生成VXD，可有可无）。在这里，仅给出用C实现的函数档。至于其它的文件，可以从本文所列的参考书目或其它文献中找到相关文档的说明。

这个串口通信驱动程序的功能是：实时送出一个Byte的数据，实时接收一个Byte的数据。作为演示之用，并没有加入其它代码。该VXD驱动主要由如下3个系统消息（由VMM32来维护和管理）处理函数组成，其代码如下：

（1）OnSysDynamicDeviceInit()函数

BOOLOnSysDynamicDeviceInit()

{//OnSysDynamicDeviceInit

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

if(irqhandle==0){

returnFALSE;

}

returnTRUE;//OnSysDynamicDeviceInit

}

该函数用来完成VXD初始化所做的工作。在本例中，由于实时监视串口中断的需要，要给COM1的中断安装一个自定义的断服务函数。98DDK已经提供了这个函数的C语言版，其原型是HIRQstaticVPICD_Virtualize_IRQ（PVIDpvid）,在vpicd.h中。该函数需要一个指针作为参数（指向名为VPICD_IRQ_Descriptor的结构体），函数传回一个指向该虚拟IRQ的句柄（该句柄在后来的VPICD服务中需要提供）。VPICD_IRQ_Descriptor结构体的组成为：

typedefstructVPICD_IRQ_Descriptor{

USHORTVID_IRQ_Number;//IRQ号（0～15）

USHORTVID_Options;//标志位选项

ULONGVID_Hw_Int_Proc;//硬件中断服务程序的地址

ULONGVID_Virt_Int_Proc;//虚拟中断服务程序

ULONGVID_Mask_Change_Proc//MaskChange调用例程

ULONGVID_IRET_Proc；//IRET调用例程

ULONGVID_IRET_Time_Out；//在Vm的进程优先级提升之前的最大等待时间

ULONGVID_Hw_Int_Ref；//硬件中断服务程序的数据存放地址

}VID；

其中只用到三位。在本例中需要声明一个名为irq4的全局变量为VID结构，并付给如下初值：VIDirq4={4,0,hwproc,0,0,0,0,500,0}，表示将要虚拟化IRQ4，改变其中断处理函数为voidhwproc(void),该函数的原型如下：

voidhwproc(void){

_asm{

movdx,0x3f8

inal,dx

movbyteptr[readin],al

clc

}

return;

}

在这个中断处理中，仅仅从COM1的数据寄存器（地址为3F8h）中读取接收到的数值，并把该数值存放在一个类型为BYTE、名为readin的内存中。

（2）OnSysDynamicDeviceExit()函数

BOOLOnSysDynamicDeviceExit()

{

VPICD_Force_Default_Behavior(irqhandle);

//解除IRQ4虚拟化

returnTRUE;

}//OnSysDynamicDeviceExit

该数提供了用于善后处理VXD在卸载时需要完成的事件。在本例中，和VXD初始化对应，需要解除对COM1的中断IRQ4的虚拟化。作者也是用98DDK在vpicd.h中提供的外包函数voidstatic_inlineVPICD_Force_Default_Behavior(HIRQhirp)。该函数唯一需要的参数便是使用VPICD_Virtualize_IRQ函数传回的IRQ句柄。

（3）OnDeviceIoControl()函数

DWORDOnDeviceIoControl(PDIOCPARAMETERSp){

Switch(p->dwIoControlCode)

{

case1://端口写功能

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

{//输出缓存的有效性检查

returnERROR_INVALID_PARAMETER；

}

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

{//数据发送

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

}

else{

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

}

open_int();//打开com1中断

return0;

case2://端口读功能

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

{//数据读入

*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=0x00;

return0;

}

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

return0;

}

return0;

}

return0;

}

OnDeviceIoControl函数用来处理Win32应用程序对VXD的呼叫。Win32应用程序的呼叫会让VMM32送给该VXD一个系统信息，并传递进一个DIOCPARAMETERS结构的指针。该结构里包含Win32应用程序呼叫时传递进来的各个参数。这个结构的组成如下：

TypedefstunctDIOCParams{

DWORDInternall;//指向客户寄存器的指针

DWORDVMHande；//该VM的句柄

DWORDInternal2；//指向DDB结构的指针

DWORDdwIoConrolCode;//DeviceIoControl例程中呼叫的控制码

DWODlpvInBuffer;//DeviceIoControl例程呼叫所传递进来的输入缓冲区地址

DWORDcbInBuffer;//输入缓冲区的大小

DWORDlpvOutBuffer；//DeviceIoControl例程呼叫所传递进来的输出缓冲区地址

DWORDcbOutBuffer;//输出缓冲区的大小

DWORDlpcbBytesReturned；//拷贝到输出缓冲区中的字节数（可以为NULL）

DWORDlpOverlapped；//DeviceIoControl例程呼叫所传递进来的重叠I/O块结构

DWORDhDevice;//Ring3层呼叫应用程序句柄

DWORDtagProcess;//例程标签

}

DIOPARAMETERS;

其中，dwIoControlCode指明了Win32应用程序需要VXD提供的哪一项服务。在本例中采用一个switch-case语句作为服务入口，如下所示。其中服务1为让串口送出一个字节，服务2为读取一个已经由串口接收的字节。函数open_int()是用来初始化串口以便接收字节数据；函数BOOLserial_out（DWORDpBuffer）是让串口发出一个字节。它们的函数体分别如下：

BOOLserial_out(DWORDpBuffer){

if(pBuffer==NULL){

returnFALSE;

}

_asm{

pushfd

cli

pusheax

pushedx

movdx,0x3fb;设置COM1的波特率

moval,0x83

outdx,al

movdx,0x3f8

moval,12

outdx,al

movdx,0x3f9

moval,0

outdx,al

movdx,0x3fb;设置COM1的线控项

moval,3

outdx,al

movdx,0x3f9;CMM1关中断

moval,0

outdx,al

movdx,0x3fa;关闭com1的FIFO功能

moval,0

outdx,al

movdx,0x3f8;字节发送

moval,byteptr[pBuffer]

outdx,al

popedx

popeax

popfd

sti

}

returnTRUE;

}

serial_out这个函数体的实现是用汇编语言实现的。因为涉及到很多的端口提供以及CPU的标志（flag）和压栈操作，因此考虑到用汇编语言编写会简化代码。因为此串口传输中，用到了关闭中断的指令（cli），所以，当写操作所要求完成的任务很多时，此关中断指令会让程序的实时性很好地体现出来，但cli指令有效时间过长会导致系统问题，所以还是要谨慎使用。

Voidopen_int(void){

_asm{

movdx,0x3f9;COM1开中断

moval,0x05

outdx,al

}

return;

}

open_int函数用来把PC串口的中断设备按照需要设立起来。函数体很简单，仅改变了地址为3F9h的内容，意为设置Rxdataready和Linestatus中断位，以便让CPU可以及时在COM1的中断服务程序里读取串口接收到的字节。

以上涉及到串口输入和输出的函数体实现代码中，用到了PC16550UART的资料。

至此，一个可用于实时串口通信的VXD驱动程序已经完成。由于篇幅所限，不能将其它必要的文档一同提出来讨论。

3Win32客户测试程序

有了上述VXD驱动程序，还需要搭配一个Win32客户程序来进行测试。在网络补充版中，给出一个笔者在VC6下编制的一个控制台应用程序片断，以供参考。

现在编制VXD驱动还没有一个集成开发环境（IDE）。本文的驱动程序是用VC6.0自带的编译器编译的。由于要编译汇编文档，所以还需要把一个MASM汇编器（要求6.0以上版本）及其相关文档拷贝到VC6.0的vc98\u30446目录下。

4结论

通过以上对VXD技术的简要分析以及一个用VXD实现的通信驱动可以看出，在Windows操作系统中，采用VXD技术，可以很好地克服由多工带来的时延问题，很好地解决了在Windows平台下实时通信的问题。