虚拟设备驱动程序的设计与实现

陈国友 　　因为windows对体例底层操纵采用了樊篱的战略，所以对用户而言，体例变得更为安定，但这却给稠密的硬件大概体例软硬件开拓职员带来了不小的艰巨，由于只有运用中波及究竟层的操纵，开拓职员就不得不深刻到windows的内核去编写属于体例级的假造摆设启动步调。win 98与win 95摆设启动步调的机理不尽沟通，win 98不只扶助与windows nt 5.0兼容的wdm(win32 driver mode)形式启动步调，并且还扶助与win 95兼容的假造摆设启动步调vxd(virtual device driver)。底下引见了鉴于windows 9x平台的假造情况、假造摆设启动步调vxd的基础道理和安排本领，并贯串开拓东西vtoolsd给出了一个为可视电口音频卡配系的假造摆设启动步调vxd的安排范例。 　　1．windows 9x的假造情况 　　windows 9x动作一个完备的32位多工作操纵体例，它不像window 3.x那么依附于ms-dos，但为了保护软硬件的兼容性，windows 9x除去扶助win16运用步调和win32运用步调除外，还得扶助ms-dos运用步调的运转。windows 9x是经过假造机vm(virtual machine)情况来保证其兼容和多工作个性的。 　　所谓windows假造机（常常简称为windows vm）即是指实行运用步调的假造情况，它囊括ms-dos vm和system vm两种假造机情况。在每一个ms-dos vm中都只运转一个ms-dos过程，而system vm能为一切的windows运用步调和动静链接库dll(dynamic link libraries)供给运转情况。每个假造机都有独力的地方空间、存放器状况、仓库、限制刻画符表、阻碍表状况和实行优先权。固然win16、win32运用步调都运转在system vm情况下，但win16运用步调共享同一地方空间，而win32运用步调却有本人独力的地方空间。 　　在编写运用步调时，编制程序职员常常忽视假造情况和实情况之间的分别，普遍觉得假造情况也即是实情况。然而，在编写假造摆设启动步调vxd时却不许如许做，由于vxd的处事是向运用步调代码供给一个与硬件接口的情况，为每一个存户假造机处置虚摆设的状况，通明地评断多个运用步调，同声对底层硬件举行考察。这即是所谓假造化的观念。 　　vxd在假造机处置器vmm(virtual machine manager)的监察和控制下运转，而vmm本质上是一个特出的vxd。vmm实行与体例资源相关的处事，供给假造机情况（能爆发、安排、卸载vm）、控制安排多线程领先功夫片及处置假造外存等处事。vxd与vmm运转在其余任何假造机除外，vxd究竟上即是实行假造机的软硬件的一局部。 　　与大普遍操纵系一致样，windows也是沿用档次式体制构造。vmm和vxds形成了win 95的ring0级的体例中心（运用步调运转在ring3级，ring1、ring2级未被运用），具备体例的最高优先权。windows还供给少许以"drv"为后缀名的启动步调，主假如指串行口的通讯步调和并行口的打字与印刷机步调。那些步调与vxd各别，它们是运转在ring3级上的。图1不妨使你更好地领会windows的假造情况。 　　图 　　2．深刻领会vmm和vxd 　　如前所述，vxd是virtual device driver的缩写，但有人将它领会为假造任何启动步调。本质上，vxd并非仅指那些假造化的某一简直硬件的摆设启动步调。比方某些vxd不妨假造化摆设，而某些vxd动作摆设启动步调却并不假造化摆设，再有些vxd与摆设并没有什么联系，它仅向其余的vxd或是运用步调供给效劳。 　　vxd不妨随vmm一道静态加载，也不妨按照须要动静加载或卸载。恰是因为vxd与vmm之间的精细协调，才使得vxd具备了运用步调所不完备的本领，诸如不妨不受控制地考察硬件摆设、大肆察看操纵体例数据构造（如刻画符表、页表等）、考察任何外存地区、捕捉软硬件阻碍、捕捉i/o端口操纵和外存考察等，以至还不妨截取硬件阻碍。 　　纵然vxd运用32位平面保存形式(flat memory model)，但它的代码和数据仍运用分段处置，段有六种典型，即实形式初始化、养护形式初始化、可分页、不行分页、静态和只调节和测试(debug only)，每种典型又有代码段和数据段之分，以是vxd公有12个段。实形式代码段和数据段为16位（分段形式），其余段则是32位（平面形式）。“实形式初始化”段包括了在windows初始化进程的首先阶段vmm变为养护形式之前要实行的代码。静态加载的vxd此时不妨察看windows启用前的实形式情况，确定能否连接加载，并报告vmm。加载结束后，vmm加入养护形式并实行养护形式初始化代码，同样将实行截止再报告vmm。初始化实行后，“实形式初始化”段和“养护形式初始化”段即被唾弃。vxd的大局部代码都在其余的某一段中，“可分页”段承诺假造保存处置器(virtual memory manager)举行分页处置，大普遍的vxd代码都该当在“可分页”段。“不行分页”段的实质重要囊括：vxd的主进口点、硬件阻碍处置因变量、所考察的数据以及能被另一个vxd阻碍处置因变量挪用的异步效劳。“静态”段仅用来不妨动静加载的vxd，当vxd卸载后，静态代码段和数据段都保持在外存中。“只调节和测试”段不过vmm在soft-ice for win 95等调节和测试情况下才将其载入。 　　vmm是经过vxd的摆设刻画符块ddb(device descriptor block)来辨别的。ddb向vmm供给了vxd的主进口点，还向运用步调和其余的vxd供给了进口点。vmm运用这个主进口点将vm及windows自己的状况报告给vxd，而后vxd经过相映的处事来相应那些事变。因为vxd不只仅效劳于一个物理摆设（比方多个串口）或仅与一个vm爆发接洽，以是vxd须要爆发本人扶助的数据构造(supporting data structures)来生存每一个摆设、每一个vm的摆设和状况消息。vxd用一个或多个摆设左右文构造来生存摆设消息，如i/o端口基地方、阻碍向量等，vxd将本人的每个vm的状况消息生存在vmm的vm遏制块中。 　　vmm供给的效劳囊括：事变效劳、外存处置效劳、兼容实行和养护形式实行的效劳、登录表效劳、安排步调效劳、同步效劳、调节和测试效劳、i/o捕捉效劳、处置缺点和阻碍效劳、vm阻碍和回调效劳、摆设处置步调效劳以及其余专项效劳。 　　之上实质仅波及到vxd安排的第一小学局部，动作vxd的开拓职员必需控制更多的常识。开始是操纵体例的常识，如地方空间、实行左右文、资源加锁、过程间通讯和异步事变处置等上面的常识；其次，对intel处置器应有较深刻的领会，囊括存放器、呆板训令集、养护体制、分页体制，以及假造8086形式；结果，还必需熟习vmm供给的各类效劳和接口，熟习windows其余的体例vxd。 　　3．开拓东西vtoolsd简介 　　vtoolsd是特意用来开拓vxd步调的一种东西软硬件，它囊括vxd框架代码天生器quickvxd、c运转库、vmm/vxd效劳库、vxd的c++类库、vxdload和vxdview等适用东西以及洪量的c、c++例程。由vc++、bc++的32位编写翻译器编写翻译天生的vxd步调不妨摆脱vtoolsd情况运转。 　　运用quickvxd不妨简单、赶快地天生vxd的框架，即天生后缀名为h、cpp和mak的三个文献。源文献包括了运转vxd的基础组件，个中包括遏制动静处置、api进口点、以及vxd效劳等因变量框架，而且还设置了标记，树立了编写翻译参数，声领会类，而后在c++情况下，向天生的各个处置因变量体内增添本人的代码，结果运用编写翻译器nmake天生规范的vxd步调。 　　因为vxd运转在ring0级，以是调节和测试步调十分艰巨。我运用的调节和测试东西是soft-ice for win 95。 　　暂时vtoolsd的最新本子为3.0，它扶助摆设考察体制构造daa(device access architecture)，所编写的步调代码将不妨在一切windows平台（囊括win 95、win 98以及windows nt）上共享。固然也不妨运用microsoft公司的ddk(device developer kit)来开拓vxd，但ddk不许像vtoolsd那么经过樊篱体例及vxd的底层本领详细供给充分的c运转库和c++类库，而是让开拓职员充溢享受面向东西编制程序本领的简单与赶快，所以仅就该点而言，运用ddk是不简单的。 　　4．vxd步调安排范例 　　我在开拓可视电口音频卡的安排进程中，用vtoolsd 2.03、vc++ 5.0为自治的pc/xt总线扩充卡开拓了假造摆设启动步调audcard.vxd。该卡每20ms请求一次阻碍，阻碍由运用步调动静载入体例的audcard.vxd相应并加以处置。阻碍效劳步调isr(interrupt service routine)中断后，挪用因变量shell_postmessage( )向运用步调窗口发送自设置动静。运用步调接收动静后，再经过因变量deviceiocontrol( )与vxd的接口因变量onw32deviceiocontrol( )互传缓冲区数据。步调中断即可动静卸载vxd。下图表白在win 95下vxd对硬件阻碍的处置进程。 　　图win95下硬件阻碍的处置进程 　　当阻碍爆发时，处置器变换为ring0级养护形式。windows体例并不像dos那么经过阻碍刻画符表idt(interrupt descriptor table)径直指向阻碍处置进程，而是由idt进口指向vmm中的步调。该步调将确定能否为阻碍挪用，即使是，则把阻碍遏制权交给假造可编制程序阻碍遏制器vpicd(virtual programmable interrupt controller device)，vpicd本质上是一个要害的vxd。vpicd再将其交给另一个备案了该阻碍的vxd（如audcard.vxd）来处置。vxd步调是经过挪用vpicd效劳vpicd_virtualize_irq来备案阻碍的。 　　假造摆设启动步调audcard.vxd的局部源代码audcard.h和audcard.cpp在网上，网址为：www.pccomputing.com.cn。此运用步调运用了下列因变量：createfile()动静加载vxd、closehandle()并动静卸载vxd、pretranslatemessage()截获动静、deviceiocontrol()与vxd互传缓冲区数据。假造摆设启动步调audcard.vxd经调节和测试后处事平常，未爆发过任何丧失数据或死机的局面。 　　底下是假造摆设启动步调audcard.vxd的局部源代码audcard.h和audcard.cpp，限于篇幅，由quickvxd机动天生的audcard.mak未列出。 　　①audcard.h 　　//audcard.h - include file for vxd audcard 　　#include 　　#define device_class audcarddevice 　　#define audcard_deviceid undefined_device_id 　　#define audcard_init_order undefined_init_order#define audcard_major 　　#define audcard_minor 0 　　#define my_irq 5 //设置5号阻碍 　　class myhwint:public vhardwareint 　　{ 　　public: 　　 myhwint():vhardwareint(my_irq,0,0,0){} 　　 virtual void onhardwareint(vmhandle); 　　}; 　　class audcarddevice : public vdevice 　　{ 　　public: 　　 virtual bool onsysdynamicdeviceinit(); 　　 virtual bool onsysdynamicdeviceexit(); 　　 virtual dword onw32deviceiocontrol(pioctlparams pdiocparams); 　　 myhwint* pmyirq; 　　}; 　　class audcardvm : public vvirtualmachine 　　{ 　　public: 　　 audcardvm(vmhandle hvm); 　　}; 　　class audcardthread : public vthread 　　{ 　　 public: 　　 audcardthread(threadhandle hthread); 　　}; 　　 　　②audcard.cpp 　　//audcard.cpp - main module for vxd audcard 　　#define device_main 　　#include "audcard.h" 　　declare_virtual_device(audcard) 　　#define wm_user_postvxd 0x1000　　//自设置动静 　　#undef device_main 　　audcardvm::audcardvm(vmhandle hvm) : vvirtualmachine(hvm) {} 　　audcardthread::audcardthread(threadhandle hthread) : vthread(hthread) {} 　　bool audcarddevice::onsysdynamicdeviceinit() //动静加载时初始化 　　{ 　　 ......//硬件初始化 　　 pmyirq=new myhwint(); 　　if(pmyirq&&pmyirq->hook()) //挂接阻碍 　　{ 　　 pmyirq->physicalunmask(); //承诺阻碍 　　 return true; 　　 } 　　 else return false; 　　} 　　bool audcarddevice::onsysdynamicdeviceexit() 　　//动静卸载进程 　　{ 　　 delete pmyirq; 　　 return true; 　　} 　　dword audcarddevice::onw32deviceiocontrol(pioctlparams pdiocparams) 　　//与win32运用步调的接口因变量 　　{ 　　...... 　　} 　　void myhwint::onhardwareint(vmhandle hvm) 　　{ 　　 ...... // 阻碍处置 　　 shell_postmessage(appwnd,wm_user_postvxd ,0,0,0,null); 　　 //向运用步调窗口发送动静 　　 sendphysicaleoi(); //报告vpicd阻碍中断 　　} 　　（作家地方：南京通讯工程学院98邮箱 210016 收稿日子：1998.12.03）