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发信人: Deny (孤苦伶仃一个人，哈哈), 信区: Program
标 题: Windows 9X硬件中断设备驱动程序的开发
发信站: 荔园晨风BBS站 (Tue Dec 25 20:01:48 2001), 转信
原作者姓名 姜山 程君实
正文
Windows 9X硬件中断设备驱动程序的开发
姜山 程君实
摘 要：本文介绍了在基于PC和Windows 9X平台下实现实时控制的关键技术一一实
时钟中断的获取方法，对虚拟设备驱动程序(VxD)和VtoolsD工具箱进行了简要介绍
。通过对源代码的分析说明了实时硬件中断VxD的实现过程。
关键词：控制系统 实时系统 虚拟设备驱动程序 VtoolsD
Abstract：This paper describes the method of acquiring rea l time
clock interrupts, which is the key technology of real time system design
based on PC and Windows 9x. The VxD Virtual Device Driver and VtoolsD
Toolbox ar e also introduced briefly. Implementation of the real time
interrupt VxD is illu strated by the source code analysis.
Keywords：control system real time system virtual device driver
VtoolsD▲
一、绪言
在计算机控制领域，随着硬件的发展，一些原本十分复杂的控制算法的设计和
仿真变得越来越容易实现。与基于VME、MULTIBUS以及STD总线的平台相比，基于
ISA总线的高性能PC工控机(IPC)无疑是近来应用最为广泛的主流产品。这主要得益
于IPC与PC的软件兼容性，此外其开放性结构、外围高性能I/O模板的不断涌现以及
实进工业网络的迅速发展都为IPC创造了有利的发展环境。可以说，IPC的时代已经
到来。此外，在当今的计算机控制领域中，控制软件是否基于Windows平台已经成
为产品是否有竞争力的重要标准之一［1］。目前基于Windows平台的相关产品已经
占据了市场份额的90%。而Windows 9X和Windows NT凭借其出色的多任务、图形用
户接口(GUI)、性能优越的硬件兼容性以及卓越的32位软件环境等性能已经越来越
广泛地被应用于工业控制，成为实现实时控制的优秀平台。
与Windows NT及其实时扩展PTX4.1［2］相比，Windows 9X的应用更为广泛灵
活，而且对硬件的要求并不苛刻。本文将讨论在Windows 9X下实现实时控制的关键
技术一一实时时钟中断驱动程序的设计及实现。
二、Windows 9X下实时进钟的获得
在实时控制中中断技术应用得十分广泛，其中实时时钟的获得基本上都是通过
中断来实现的。时钟控制在实时控制中处于十分重要的地位，它负责推进控制过程
、激活各控制任务或发关控制消息，起到了总控制器的作用。在Windows 9X下实时
时钟的获得可以有不同的方法。设置Win32定时器并通过响应WM-TIMER消息来进行
实时处理是最简单的方法。但是由于WM-TIMER消息的低优先级和未处理消息在消息
队列中的组合造成了系统实时处理的不稳定，因此这种方法只适合实时性要求不高
的应用。若采用Windows多媒体定时器，通过设置回调函数可以获得最高精度为
Ims的定时信号，但是由于占用了系统宝贵的资源，而且当定时信号由用户提供或
需要更高的中断频率时这种方法就显得无能为力了。与这些基于类似软件中断的方
法相比，基于硬件中断的方法占据了主导地位，并在绝大多数的实时系统中得到了
应用，因为它保证了对实时控制系统至关重要的可靠性。本文将讨论在PC和
Windows 9X环境下对于实时控制系统的设计和实现中最为关键的硬件中断VxD的实
现。
三、VxD及VtoolsD
VxD是32位保护模式下的可执行DLL，用于管理系统资源。所有的VxD运行于
Windows VMM的监控之下。VMM和VxDs共同构成了Windows Ring 0层的系统内核。
开发虚拟设备驱动程序(VxD)的常规方法是使用Microsoft出品的设备驱动程序
开发工具包DDK(Device Developer Kit)。这要求设计者必须对Windows 95的体系
结构、设备驱动程序的结构、VMM(Virtual Machine Manager,即虚拟机管理器)以
及Intel CPU体系结构有深入的了解，而且需要保护模式的汇编语言编程经验［3］
。但正如我们现在很少有人使用SDK开发Windows应用程序，取而代之以MFC或OWL等
C++类库编程一样，DDK的开发人员现在可以使用类似VtoolsD、WinDriver等第三方
的软件来编制驱动程序，笔者推荐使用VtoolsD。
Vireo公司出色的VtoolsD由可视的VxD代码生成器QuickVxD、C运行库、
VMM/VxD服务库、C++类库以及VxD的装入程序等组成。利用QuickVxD生成的框架程
序和经充分测试过的C运行库或C++类库可以绕过DDK用C或C++来编制驱动程序，这
就大大地简化了开发的难度，提高了可靠性。框架程序可以直接在Visual C++集成
开发环境中用NMAKE编译为VxD。
四、硬件中断驱动程序开发实例
在笔者设计的24自由度仿人型机器人实时仿真和控制系统中，为了提高系统的
可移植性，首先通过VxD修改PC基板上CMOS中的可编程计数器以获得2KHz的系统08
中断频率，并截获此中断来进行实时调度。通过对此基本定时信号的调度以获得诸
如对外部多通道的模拟量进行采集、控制算法处理、控制结果输出以及实时屏幕刷
新等多任务的定进信号［4］。这种方法不需要用户提供附加的硬件定时器。开发
中选定Windows 98作为软件开发平台，为了充分利用32位CPU和操作系统的处理能
力，选择Microsoft Visual C++ 6.0作为应用层(ring 3)开发工具，应用程序是基
于MFC。而VxD是通过VtoolsD 2.04编写的。Ring 0级调试工具为NuMega公司的
SoftIce 3.23。本文将对Ring 0和Ring 3两层软件的设计加以说明。
1.Ring 0级硬件中断VxD的设计
在使用QuickVxD生成框架代码的过程中，在Device Parameters选单中应选中
Dynamically Loadable以使得驱动程序能够动态加载。在Windows 95 control
messages选单中选中W32-DEVICEIOCONTROL消息、SYS-DYNAMIC-DEVICE-INIT消息及
SYS-DYNAMIC-DEVICE-EXIT消息。这些消息的处理函数通过以下VxD的实现代码加以
说明：
#include<vtoolscp.h>
#include"winioctl.h"
#define DEVICE-CLASS IrqtestDevice
#define IRQTEST-DeviceID UNDEFINED-DEVICE-ID
#define IRQTEST-Init-Order UNDEFINED-INIT-ORDER
#define IRQTEST-Major 1
#define IRQTEST-Minor 0
#define w32IF-PASS-EVENT CTL-CODE
(FILE-DEVICE-UNKNOWN, 1,METHOD-NEITHER,FILE-ANY-ACCESS)
#define RTC-IRQ8//实时时钟使用的IRQ
#define STATREG-A 0xA
#define STATREG-B 0xB
#define STATREG-C 0xC
#defing ENABLE-INTERRUPT 0x40
#define WM-MY-MESSAGE 0x0410//自定义消息
BOOL -stdcall RTCInt-Handler(VMHANDLE hVM,IRQHANDLE hIRQ);//时钟中断服务
程序
VOID WriteCMOS(BYTE reg,BYTE value);
BYTE ReadCMOS(BYTE reg);
class IrqtestDevice:public VDevice｛
prblic;
virtual BOOL OnSysDynamicDeviceInit();
virtual BOOL OnSysDynamicDeviceExit();
virtual DWORD OnW32DeviceIoControl(PIOCTLPARAMS pDIOCParams);｝;
class IrqtestVM:public VVirtualMachine｛
public;
IrqtestVM(VMHANDLE hVM);｝;
class IrqtestThread:public VThread｛
public:
IrqtestThread(THREADHANDLE hThread);｝;
//IRQTEST.cpp-main module for VxD IRQTEST
#define DEVICE-MAIN
#include"irqtest.h"
#undefDEVICE-MAIn
Declare-Virtual-Device(IRQTEST)
VPICD-HWInt-THUNK RTCInt-Thunk;handler//中断Thunk
EVENTHANDLE hEvent;//Handle of timer event
IRQHANDLE RTCIRQHandle；//Handle for virtual IRQ
BYTE SavedStatusRegisterA;
BYTE SavedStatusRegisterB;//保存RTC设置寄存器
DWORD TickCounter;//中断计数器
DWORD*PostMsghWnd;//Ring3层应用程序的hWnd
HANDLE hWnd;
IrqtestVM::IrqtestVM(VMHANDLE hVM)
VVirtualMachine(hVM)｛｝
IrqtestThread::IrqtestThread(THREADHANDLE hThread)
VThread(hThread)｛｝
BOOL IrqtestDevice::OnSyaDynamicDeviceInit()｛
VMHANDLE hVM;
hVM=Get-Cur-VM-Handle();
BYTE statreg;
DWORD status;
DWORD RTClockFreqIndex;
//挂接硬件中断需要调用虚拟可编程中断控制器(VPICD)来通知Windows此VxD负责
处理此IRQ。在这里我们只用到了VPICD提供的五个不同的与IRQ相关的通知事件之
一，即实际的硬件中断事件。
struct VPICD-IRQ-Descriptor IRQdesc;//此结构将被传入
VPICD-Virtualize-IRQ例程进行初始化，以下是参数设置。IRQdese.
VID-IRQ-Number=RTC-IRQ;//将要被虚拟的IRQ IRQdesc.VID-Options=0;//保留
//为了在此结构中设置中断服务例程的地址，我们将服务例程thunk的地址传递给
VPICD-Thunk-HWInt,它将负带将thunk初始化并返回它的地址
IRQdesc.VID-Hw-Int-Proc=(DWORD)VPICD-Thunk-HWInt
(RTCInt-Handler,&RTCInt-Thunk);
IRQdesc.VID-IRET-Time-Out=500;
//此结构的其它变量在这里没有用到。
//通过VPICD-Virtualize-IRQ服务将已定义结构传入VPICD，VPICD分配IRQ并返回
其句柄
RTCIRQHandle=VPICD-Virtualize-IRQ(&IRQdesc);
if(RTCIRQHandle==0)returnFALSE;//虚拟化失败
//保存初始RTC状态寄存器以便退出时恢复现场
SavedStatusRegisterA=ReadCMOS(STATREG-A);
SavedStatusRegisterB=ReadCMOS(STATREG-B);
RTClockFreqIndex=6;设置中断频率，见下文说明；
statreg=(SavedStatusRegisterA & ～0xF)｜(RTClockFreqIndex & 0xF);
WriteCMOS(STATREG-A,statreg);
//设置RTC状态寄存器使得status register flags to enable it to assert
its IRQ
statreg=ReadCMOS(STATREG-B);
statreg｜=ENABLE-INTERRUPT;
WriteCMOS(STATREG-B,statreg);
ReadCMOS(STATREG-C);
TickCounter=0;//初始化中断计数器
//保证IRQ在PIC中未被屏蔽
VPICD-Physically-Unmask(RTCIRQHandle);
return TRUE;
｝
BOOL IrqtestDevice:OnSysDynamicDeviceFxit()｛
//恢复现场；
Cancel-Global-Event(hEvent);
WriteCMOS(STATREG-A,SavedStatusRegister A);
WriteCMOS(STATREG-B,SavedStatusRegister B);
VPICD-Physically-Mask(RTCIRQHandle);
VPICD-Force-Default-Behavior(RTCIRQHandle);
return TRUE;
｝
DWORD IrqtestDevice::OnW32DeviceIoControl
(PIOCTLPARAMS pDIOCParams)
｛
switch(pDIOCParams->dioc-IOCtICode)｛
case DIOC-OPEN;//CreateFile
｛hWnd =0;//Ring 3层应用程序主窗口句柄初始化
return 0;｝
case W32IF-PASS-EVENT:
PostMsghWnd=(DWORD*)pDIOCParams->dioc-InBuf;
hWnd=(HANDLE)*PostMsghWnd;//获得主窗口句柄
return 0;
default:return-1;｝
return 0;｝
BOOL -stdcall RTCInt-Handler(VMHANDLE hVM,IRQHANDLE hIRQ)｛
//在中断服务例程中，对中断计数器计数并向Ring 3层应用程序发送自定义消息；
if(hWnd&&(TickCounter%100==0))｛
SHELL-PostMessage(hWnd,WM-My-MESSAGE,0,0,NULL,NULL);｝
TickCounter++；
ReadCMOS(STATREG-C);//清除RTC状态标志
VPICD-Phys-EOI(hIRQ);//指定VPICD清除此中断
return TRUE;//thunk将清除进位
｝
//篇幅所限，针对COMS端口操作的两个函数ReadCMOS(BYTE reg)和WriteCMOS(BYTE
reg,BYTE value)的源程序略，请参考VtoolsD连机帮助中的CHIME例子。
2.Ring 3级主应用程序设计
将生成的VxD放入主应用程序的工作目录中，用CreateFile()函数动态加载
VxD。hDevice=CreateFile("\\\\.\\irqtest.vsd",0,0,0,OPEN-ALWAYS,
FILE-FLAG-DELETE-ON-CLOSE,0);
需要挂接中断时，调用DeviceIoControl()将主程序窗口的句柄传递给正运行的
VxD。
Main-CWnd=AfxGetMainWnd();
inBuf［0］=Main-CWnd->m-hWnd;
if(! DeviceIoControl(hDevice,W32IF-PASS-EVENT,inBut,sizeof(PVOID),
RetInfo,sizeof
(RetInfo),&cbBytesRetumed,NULL))
AfxMessageBox("DeviceIoCtl Failed!"MB-OK);//与VxD通讯失败
然后在自定义消息处理函数中加入自己的实时处理代码。需要说明以下几点：
.在VxD的中断处理函数中可以加入对实时性要求最高的代码，原则上应尽快返
回以提高中断频率和避免重入；
.中断频率的选择参数n有以下选择：
n 频率(Hz) n 频率(Hz)
1 256 7 512
2 128 10 64
3 8192 11 32
4 4096 12 16
5 2048 13 8
6 1024 14 4
.本文介绍的方法同样适用于编写其他普通硬件中断VxD。
.在中断频率较高的数据采集系统中。可以设置双缓冲区来实现实时中断与处
理线程的同步。
五、结论
本文在对PC和Windows 9X和9X进行了细致的研究之后，分析了在其上构造实时
系统的方法，并通过详细的应用示例给出了具体的说明。本文使用的方法具有通用
性和易用性，在笔者设计的24自由度仿人型机器人控制系统中运行良好。本文介绍
的方法对于开发Windows 9X实时控制系统具有实际的参考价值。
作者单位：姜山(上海交通大学存储研究中心 200030)
参考文献：
［1］Dean J.Petrone, Michael D. Stackhouse PC-Based Control Goes Real-ti
me Control Engineering.Apil 1998
［2］Martin Timmermon, Windows NT Real time extensions better or
worse? R eal-time Magazine,Mar,1998
［3］张维铭，使用VtoolsD开发Windwos 95虚拟设备驱动程序，中国计算机用户，
1997.12
［4］Paolo Fiorini, Homayoum Seraji, Mark Long A PC-Based
Configuration Controller for Dexterous 7-DOF Arms［M］,IEEE Robotics and
Automation Magazine, Vol ume 4(3),September 1997,pp.30-38
正文完
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o _____ ┏━━━┓ ◇◆ 不管路有多长，心有多远
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