虚拟设备驱动程序的设计与实现

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虚拟设备驱动程序的设计与实现
  由于Windows对系统底层操作采取了屏蔽的策略,因而对用户而言,系统变得更为安全,但这却给众多的硬件或者系统软件开发人员带来了不小的困难,因为只要应用中涉及到底层的操作,开发人员就不得不深入到Windows的内核去编写属于系统级的虚拟设备驱动程序。Win 98与Win 95设备驱动程序的机理不尽相同,Win 98不仅支持与Windows NT 5.0兼容的WDM(Win32 Driver Mode)模式驱动程序,而且还支持与Win 95兼容的虚拟设备驱动程序VxD(Virtual Device Driver)。下面介绍了基于Windows 9x平台的虚拟环境、虚拟设备驱动程序VxD的基本原理和设计方法,并结合开发工具VToolsD给出了一个为可视电话音频卡配套的虚拟设备驱动程序VxD的设计实例。
  1.Windows 9x的虚拟环境
  Windows 9x作为一个完整的32位多任务操作系统,它不像Window 3.x那样依赖于MS-DOS,但为了保证软件的兼容性,Windows 9x除了支持Win16应用程序和Win32应用程序之外,还得支持MS-DOS应用程序的运行。Windows 9x是通过虚拟机VM(Virtual Machine)环境来确保其兼容和多任务特性的。
  所谓Windows虚拟机(通常简称为Windows VM)就是指执行应用程序的虚拟环境,它包括MS-DOS VM和System VM两种虚拟机环境。在每一个MS-DOS VM中都只运行一个MS-DOS进程,而System VM能为所有的Windows应用程序和动态链接库DLL(Dynamic Link Libraries)提供运行环境。每个虚拟机都有独立的地址空间、寄存器状态、堆栈、局部描述符表、中断表状态和执行优先权。虽然Win16、Win32应用程序都运行在System VM环境下,但Win16应用程序共享同一地址空间,而Win32应用程序却有自己独立的地址空间。
  在编写应用程序时,编程人员经常忽略虚拟环境和实环境之间的差异,一般认为虚拟环境也就是实环境。但是,在编写虚拟设备驱动程序VxD时却不能这样做,因为VxD的工作是向应用程序代码提供一个与硬件接口的环境,为每一个客户虚拟机管理虚设备的状态,透明地仲裁多个应用程序,同时对底层硬件进行访问。这就是所谓虚拟化的概念。
  VxD在虚拟机管理器VMM(Virtual Machine Manager)的监控下运行,而VMM实际上是一个特殊的VxD。VMM执行与系统资源有关的工作,提供虚拟机环境(能产生、调度、卸载VM)、负责调度多线程占先时间片及管理虚拟内存等工作。VxD与VMM运行在其他任何虚拟机之外,VxD事实上就是实现虚拟机的软件的一部分。
  与大多数操作系统一样,Windows也是采用层次式体系结构。VMM和VxDs构成了Win 95的ring0级的系统核心(应用程序运行在ring3级,ring1、ring2级未被使用),具有系统的最高优先权。Windows还提供一些以"drv"为后缀名的驱动程序,主要是指串行口的通信程序和并行口的打印机程序。这些程序与VxD不同,它们是运行在ring3级上的。图1可以使你更好地理解Windows的虚拟环境。
  图
  2.深入理解VMM和VxD
  如前所述,VxD是Virtual Device Driver的缩写,但有人将它理解为虚拟任何驱动程序。实际上,VxD并非仅指那些虚拟化的某一具体硬件的设备驱动程序。比如某些VxD能够虚拟化设备,而某些VxD作为设备驱动程序却并不虚拟化设备,还有些VxD与设备并没有什么关系,它仅向其他的VxD或是应用程序提供服务。
  VxD可以随VMM一起静态加载,也可以根据需要动态加载或卸载。正是由于VxD与VMM之间的紧密协作,才使得VxD具有了应用程序所不具备的能力,诸如可以不受限制地访问硬件设备、任意查看操作系统数据结构(如描述符表、页表等)、访问任何内存区域、捕获软件中断、捕获I/O端口操作和内存访问等,甚至还可以截取硬件中断。
  尽管VxD使用32位平面存储模式(flat memory model),但它的代码和数据仍使用分段管理,段有六种类型,即实模式初始化、保护模式初始化、可分页、不可分页、静态和只调试(debug only),每种类型又有代码段和数据段之分,所以VxD共有12个段。实模式代码段和数据段为16位(分段模式),其他段则是32位(平面模式)。“实模式初始化”段包含了在Windows初始化过程的最初阶段VMM变为保护模式之前要执行的代码。静态加载的VxD此时可以查看Windows启动前的实模式环境,决定是否继续加载,并通知VMM。加载完毕后,VMM进入保护模式并执行保护模式初始化代码,同样将执行结果再通知VMM。初始化完成后,“实模式初始化”段和“保护模式初始化”段即被遗弃。VxD的大部分代码都在其他的某一段中,“可分页”段允许虚拟存储管理器(Virtual Memory Manager)进行分页管理,大多数的VxD代码都应当在“可分页”段。“不可分页”段的内容主要包括:VxD的主入口点、硬件中断处理函数、所访问的数据以及能被另一个VxD中断处理函数调用的异步服务。“静态”段仅用于可以动态加载的VxD,当VxD卸载后,静态代码段和数据段都保留在内存中。“只调试”段只是VMM在Soft-ICE for Win 95等调试环境下才将其载入。
  VMM是通过VxD的设备描述符块DDB(Device Descriptor Block)来识别的。DDB向VMM提供了VxD的主入口点,还向应用程序和其他的VxD提供了入口点。VMM利用这个主入口点将VM及Windows自身的状态通知给VxD,然后VxD通过相应的工作来响应这些事件。由于VxD不仅仅服务于一个物理设备(比如多个串口)或仅与一个VM发生联系,所以VxD需要产生自己支持的数据结构(Supporting Data Structures)来保存每一个设备、每一个VM的配置和状态信息。VxD用一个或多个设备上下文结构来保存设备信息,如I/O端口基地址、中断向量等,VxD将自己的每个VM的状态信息保存在VMM的VM控制块中。
  VMM提供的服务包括:事件服务、内存管理服务、兼容执行和保护模式执行的服务、登录表服务、调度程序服务、同步服务、调试服务、I/O捕获服务、处理错误和中断服务、VM中断和回调服务、配置管理程序服务以及其他杂项服务。
  以上内容仅涉及到VxD设计的一小部分,作为VxD的开发人员必须掌握更多的知识。首先是操作系统的知识,如地址空间、执行上下文、资源加锁、进程间通信和异步事件处理等方面的知识;其次,对Intel处理器应有较深入的理解,包括寄存器、机器指令集、保护机制、分页机制,以及虚拟8086模式;最后,还必须熟悉VMM提供的各类服务和接口,熟悉Windows其他的系统VxD。
  3.开发工具VToolsD简介
  VToolsD是专门用于开发VxD程序的一种工具软件,它包括VxD框架代码生成器QuickVxD、C运行库、VMM/VxD服务库、VxD的C++类库、VxDLoad和VxDView等实用工具以及大量的C、C++例程。由VC++、BC++的32位编译器编译生成的VxD程序可以脱离VToolsD环境运行。
  利用QuickVxD可以方便、快捷地生成VxD的框架,即生成后缀名为h、cpp和mak的三个文件。源文件包含了运行VxD的基本组件,其中包含控制消息处理、API入口点、以及VxD服务等函数框架,并且还定义了标志,设置了编译参数,声明了类,然后在C++环境下,向生成的各个处理函数体内添加自己的代码,最后使用编译器NMAKE生成标准的VxD程序。
  由于VxD运行在ring0级,所以调试程序相当困难。我使用的调试工具是Soft-ICE for Win 95。
  目前VToolsD的最新版本为3.0,它支持设备访问体系结构DAA(Device Access Architecture),所编写的程序代码将可以在所有Windows平台(包括Win 95、Win 98以及Windows NT)上共享。当然也可以使用Microsoft公司的DDK(Device Developer Kit)来开发VxD,但DDK不能像VToolsD那样通过屏蔽系统及VxD的底层技术细节提供丰富的C运行库和C++类库,而是让开发人员充分享用面向对象编程方法的方便与快捷,因此仅就该点而言,使用DDK是不方便的。
  4.VxD程序设计实例
  我在开发可视电话音频卡的设计过程中,用VToolsD 2.03、VC++ 5.0为自制的PC/XT总线扩展卡开发了虚拟设备驱动程序Audcard.vxd。该卡每20ms申请一次中断,中断由应用程序动态载入系统的Audcard.vxd响应并加以处理。中断服务程序ISR(Interrupt Service Routine)结束后,调用函数Shell_PostMessage( )向应用程序窗口发送自定义消息。应用程序接受消息后,再通过函数DeviceIoControl( )与VxD的接口函数OnW32DeviceIoControl( )互传缓冲区数据。程序结束即可动态卸载VxD。下图表示在Win 95下VxD对硬件中断的处理过程。
  图Win95下硬件中断的处理过程
  当中断发生时,处理器转换为ring0级保护模式。Windows系统并不像DOS那样通过中断描述符表IDT(Interrupt Descriptor Table)直接指向中断处理过程,而是由IDT入口指向VMM中的程序。该程序将判断是否为中断调用,如果是,则把中断控制权交给虚拟可编程中断控制器VPICD(Virtual Programmable Interrupt Controller Device),VPICD实际上是一个重要的VxD。VPICD再将其交给另一个注册了该中断的VxD(如Audcard.vxd)来处理。VxD程序是通过调用VPICD服务VPICD_Virtualize_IRQ来注册中断的。
  虚拟设备驱动程序Audcard.vxd的部分源代码Audcard.h和Audcard.cpp在网上,网址为:www.pccomputing.com.cn。此应用程序使用了下列函数:CreateFile()动态加载VxD、CloseHandle()并动态卸载VxD、PreTranslateMessage()截获消息、DeviceIoControl()与VxD互传缓冲区数据。虚拟设备驱动程序Audcard.vxd经调试后工作正常,未发生过任何丢失数据或死机的现象。
  下面是虚拟设备驱动程序Audcard.vxd的部分源代码Audcard.h和Audcard.cpp,限于篇幅,由QuickVxD自动生成的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 //定义5号中断
  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
  //自定义消息
  #undef DEVICE_MAIN
  AudcardVM::AudcardVM(VMHANDLE hVM) : VVirtualMachine(hVM) {}
  AudcardThread::AudcardThread(THREADHANDLE hThread) : VThread(hThread) {}
  BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceInit() //动态加载时初始化
  {
   ......//硬件初始化
   pMyIRQ=new MyHwInt();
  if(pMyIRQ&&pMyIRQ->hook()) //挂接中断
  {
   pMyIRQ->physicalUnmask(); //允许中断
   return TRUE;
   }
   else return FALSE;
  }
  BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceExit()
  //动态卸载过程
  {
   delete pMyIRQ;
   return TRUE;
  }
  DWORD AudcardDevice::OnW32DeviceIoControl(PIOCTLPARAMS pDIOCParams)
  //与Win32应用程序的接口函数
  {
  ......
  }
  VOID MyHwInt::OnHardwareInt(VMHANDLE hVM)
  {
   ...... // 中断处理
   SHELL_PostMessage(AppWnd,WM_USER_POSTVXD ,0,0,0,NULL);
   //向应用程序窗口发送消息
   sendPhysicalEOI(); //通知VPICD中断结束
  }
  陈国友
  (作者地址:南京通信工程学院98信箱 210016 收稿日期:1998.12.03)
《电子与电脑》99年第4期

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