采用VXD技术实现实的通信
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。
1 VXD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
BOOL OnSysDynamicDeviceInit()
{ //OnSysDynamicDeviceInit
irqhandle=VPICD_Virtualize_IRQ((DWORD)(irq4))；
if(irqhandle= =0){
return FALSE;
}
return TRUE; //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HIRQ static VPICD_Virtualize_IRQ（PVID pvid）,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：
typedef struct VPICD_IRQ_Descriptor{
USHORT VID_IRQ_Number; //IRQ号（0～15）
USHORT VID_Options; //标志位选项
ULONG VID_Hw_Int_Proc; //硬件中断服务程序的地址
ULONG VID_Virt_Int_Proc; //虚拟中断服务程序
ULONG VID_Mask_Change_Proc //Mask Change调用例程
ULONG VID_IRET_Proc； //IRET调用例程
ULONG VID_IRET_Time_Out； //在Vm的进程优先级提升之前的最大等待时间
ULONG VID_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：VID irq4={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void hwproc(void),该函数的原型如下：
void hwproc(void){
_asm{
mov dx,0x3f8
in al,dx
mov byte ptr [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
BOOL OnSysDynamicDeviceExit()
{
VPICD_Force_Default_Behavior(irqhandle);
//解除IRQ4虚拟化
return TRUE;
} //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void static_inline VPICD_Force_Default_Behavior(HIRQ hirp)。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
DWORD OnDeviceIoControl(PDIOCPARAMETERS p){
Switch (p->dwIoControlCode)
{
case 1: //端口写功能
if(!p->lpvOutBuffer||p->cbOutBuffer1)
{ //输出缓存的有效性检查
return ERROR_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
return 0;
case 2: //端口读功能
if(*(BYTE*)reading= =0x00)
{ //数据读入
*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=0x00;
return 0;
}
*(BTYE*)(p->lpvOutBuffer)=*(BYTE*)（readin）;
return 0;
}
return 0;
}
return 0;
}
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：
Typedef stunct DIOCParams{
DWORD Internall; //指向客户寄存器的指针
DWORD VMHande； //该VM的句柄
DWORD Internal2； //指向DDB结构的指针
DWORD dwIoConrolCode; //DeviceIoControl例程中呼叫的控制码
DWOD lpvInBuffer; //DeviceIoControl例程呼叫所传递进来的输入缓冲区地址
DWORD cbInBuffer; //输入缓冲区的大小
DWORD lpvOutBuffer； //DeviceIoControl例程呼叫所传递进来的输出缓冲区地址
DWORD cbOutBuffer; //输出缓冲区的大小
DWORD lpcbBytesReturned； //拷贝到输出缓冲区中的字节数（可以为NULL）
DWORD lpOverlapped； //DeviceIoControl例程呼叫所传递进来的重叠I/O块结构
DWORD hDevice; //Ring3层呼叫应用程序句柄
DWORD tagProcess; //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BOOL serial_out（DWORD pBuffer）是让串口发出一个字节。它们的函数体分别如下：
BOOL serial_out(DWORD pBuffer){
if(pBuffer= =NULL){
return FALSE;
}
_asm {
pushfd
cli
push eax
push edx
mov dx,0x3fb ;设置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 ;设置COM1的线控项
mov al,3
out dx,al
mov dx,0x3f9 ;CMM1关中断
mov al,0
out dx,al
mov dx,0x3fa ;关闭com1的FIFO功能
mov al,0
out dx,al
mov dx,0x3f8 ;字节发送
mov al,byte ptr [pBuffer]
out dx,al
pop edx
pop eax
popfd
sti
}
return TRUE;
}
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。
Void open_int(void){
_asm{
mov dx,0x3f9 ;COM1开中断
mov al,0x05
out dx,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Rx data ready和Line status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PC16550 UART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。
3 Win32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（http://www.dpj.com.cn）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vc98u30446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。
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