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。

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。

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：

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）OnSysDynamicDeviceInit()函數(shù)

BOOL OnSysDynamicDeviceInit()

{ //OnSysDynamicDeviceInit

irqhandle=VPICD_Virtualize_IRQ((DWORD)(

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