采用VXD技術實現實的通信
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引言
在微軟的視窗操作系統中，系統內核掌管所有的應用程序，通過獨特的任務調度算法實現CPU的分時多任務處理方式。多任務處理對大多數用戶可能是件好事，但是對那些想把實時通信建立在Windows操作系統上的特殊用戶來說，操作界面的圖形化并不比MS-DOS的單任務更具吸引力。在視窗操作系統里可以進行實時通信和控制碼？答案是：VXD技術可以幫我們在獲取友好的人機界面的同時還擁有很強的實時性。
1 VXD技術解析
VXD技術可追溯到Windows3.1，它的引入就是要讓操作系統實現多工以及硬件資源的共享。為了支持多個MS-DOS任務同時執行，Windows98讓每個MS-DOS應用程序在各自的虛擬機（VM）上運行，各自互不相干；而所有的Widnows應用程序卻都在一個虛擬機上運行。圖1所示的結構框圖很好地說明了Windows98的整體架構。
圖1中，由眾多的VXD組成系統級代碼處于最底層。其中，處于中心地位的是一名為VMM32的VXD，它負責協調和管理所有的VXDs。其它VXDs則通過消息機制（這個消息機制由VMM32.VXD來維護）彼此聯系。由所有VXDs開放出的服務接口（API）組成了一個服務網，它們彼此通過合作的方式，提供Windows98的系統底層驅動服務。
從以上Windows98系統架構可以看出，要想在視窗平臺下獲取很強的實時性，僅靠提升應用程序線程優先級的方法是不夠的。因為Win32應用程序代碼屬于Ring3級，而VXD代碼則屬于Ring0級；采用VXD撰寫的實時通信程序可以完全不受代碼限制，可以直接對硬件進行操作。VXD的這個特點正是實時通信建立所必須的。
設計實時通信的VXD前，先解釋以下幾個問題：
①VMM32使用VPICD.VXD虛擬化每個硬件和軟件中斷。VMM32為每個虛擬機（VM）維護一個IDT結構，當中斷發生時，CPU先保護中斷現場，然后經由當前VM的IDT把這個中斷引導至相應的中斷處理程式。
中斷的虛擬化，使我們有機會給每個中斷提供新的中斷處理函數，并可以讓多個硬件共享同一個中斷號。VPICD.VXD為我們提供這些服務。
②VMM有兩個調度器，用以在多個線程和VMs之間實現搶占式多工。主調度器負責選定下一個將被執行的線程。這個選擇可以是一個，也可以是多個。然后，主調度器把選擇結果送給所謂的時間片調度器，并由后者完成各個應用程序間的時間片分配。調度器也時應用程序經由呼叫Win32線程優先調整API（如SetThreadPriority和SetPriorityClass等）做出回應。當中斷發生時，VMM32自動提升中斷處理函數所在VM之優先級，保證中斷處理函數能及時被執行。
③VXD和Win32應用程序可直接通信。Win32應用程序可通過一個系統API（DevicelOControl（…））來呼叫位于底層的VXD為其服務。在呼叫VXD前，首先必須調用CreatFile（…）這個API加載該VXD（如果該VXD是一個靜態VXD，則不用加載）。所有的呼叫動作其實都通過VMM32完成。VXD也可以通過消息方式和位于上層的Win32應用程序通信。She11.VXD為所有希望以消息機制和Win32應用程序通信的VXD提供了這一服務。
以上是編寫一個串口通信驅動需要的系統層面知識。對于Windows底層的了解。
2 用VXD實現一個實時串口通信驅動
接下來用VXD技術實現一個實時串行通信的驅動。這個VXD是一個動態（Dynamic）VXD，當它的服務被呼叫時，VMM32會動態加載這個VXD。作者采用的工具是C+98DDK。當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。
用C來實現一個VXD驅動，需要準備如下條件：一個.ASM的匯編語言接口文件（在其中定義VXD要處理的系統消息和輸出API），一個.C的函數實現文件（在其中完成自己函數實體），一個.DEF的定義文件（在其中定義VXD中各個段的別名并匯成一個DDB）和一個.MAK檔（用來編譯并連接生成VXD，可有可無）。在這里，僅給出用C實現的函數檔。至于其它的文件，可以從本文所列的參考書目或其它文獻中找到相關文檔的說明。
這個串口通信驅動程序的功能是：實時送出一個Byte的數據，實時接收一個Byte的數據。作為演示之用，并沒有加入其它代碼。該VXD驅動主要由如下3個系統消息（由VMM32來維護和管理）處理函數組成，其代碼如下：
（1）OnSysDynamicDeviceInit()函數
BOOL OnSysDynamicDeviceInit()
{ //OnSysDynamicDeviceInit
irqhandle=VPICD_Virtualize_IRQ((DWORD)(irq4))；
if(irqhandle= =0){
return FALSE;
}
return TRUE; //OnSysDynamicDeviceInit
}
該函數用來完成VXD初始化所做的工作。在本例中，由于實時監視串口中斷的需要，要給COM1的中斷安裝一個自定義的斷服務函數。98DDK已經提供了這個函數的C語言版，其原型是HIRQ static VPICD_Virtualize_IRQ（PVID pvid）,在vpicd.h中。該函數需要一個指針作為參數（指向名為VPICD_IRQ_Descriptor的結構體），函數傳回一個指向該虛擬IRQ的句柄（該句柄在后來的VPICD服務中需要提供）。VPICD_IRQ_Descriptor結構體的組成為：
typedef struct VPICD_IRQ_Descriptor{
USHORT VID_IRQ_Number; //IRQ號（0～15）
USHORT VID_Options; //標志位選項
ULONG VID_Hw_Int_Proc; //硬件中斷服務程序的地址
ULONG VID_Virt_Int_Proc; //虛擬中斷服務程序
ULONG VID_Mask_Change_Proc //Mask Change調用例程
ULONG VID_IRET_Proc； //IRET調用例程
ULONG VID_IRET_Time_Out； //在Vm的進程優先級提升之前的最大等待時間
ULONG VID_Hw_Int_Ref； //硬件中斷服務程序的數據存放地址
}VID；
其中只用到三位。在本例中需要聲明一個名為irq4的全局變量為VID結構，并付給如下初值：VID irq4={4,0,hwproc,0,0,0,0,500,0}，表示將要虛擬化IRQ4，改變其中斷處理函數為void hwproc(void),該函數的原型如下：
void hwproc(void){
_asm{
mov dx,0x3f8
in al,dx
mov byte ptr [readin],al
clc
}
return;
}
在這個中斷處理中，僅僅從COM1的數據寄存器（地址為3F8h）中讀取接收到的數值，并把該數值存放在一個類型為BYTE、名為readin的內存中。
（2）OnSysDynamicDeviceExit()函數
BOOL OnSysDynamicDeviceExit()
{
VPICD_Force_Default_Behavior(irqhandle);
//解除IRQ4虛擬化
return TRUE;
} //OnSysDynamicDeviceExit
該數提供了用于善后處理VXD在卸載時需要完成的事件。在本例中，和VXD初始化對應，需要解除對COM1的中斷IRQ4的虛擬化。作者也是用98DDK在vpicd.h中提供的外包函數void static_inline VPICD_Force_Default_Behavior(HIRQ hirp)。該函數唯一需要的參數便是使用VPICD_Virtualize_IRQ函數傳回的IRQ句柄。
（3）OnDeviceIoControl()函數
DWORD OnDeviceIoControl(PDIOCPARAMETERS p){
Switch (p->dwIoControlCode)
{
case 1: //端口寫功能
if(!p->lpvOutBuffer||p->cbOutBuffer1)
{ //輸出緩存的有效性檢查
return ERROR_INVALID_PARAMETER；
}
if(serial_out((DWORD)(p->lpvInBuffer)))
{ //數據發送
*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=*(BYTE*)(p->lpvInBuffer)；
}
else{
*(BYTE*)(p->lpvOutBuffer)=0;
}
open_int(); //打開com1中斷
return 0;
case 2: //端口讀功能
if(*(BYTE*)reading= =0x00)
{ //數據讀入
*（BYTE*）（p->lpvOutBuffer）=0x00;
return 0;
}
*(BTYE*)(p->lpvOutBuffer)=*(BYTE*)（readin）;
return 0;
}
return 0;
}
return 0;
}
OnDeviceIoControl函數用來處理Win32應用程序對VXD的呼叫。Win32應用程序的呼叫會讓VMM32送給該VXD一個系統信息，并傳遞進一個DIOCPARAMETERS結構的指針。該結構里包含Win32應用程序呼叫時傳遞進來的各個參數。這個結構的組成如下：
Typedef stunct DIOCParams{
DWORD Internall; //指向客戶寄存器的指針
DWORD VMHande； //該VM的句柄
DWORD Internal2； //指向DDB結構的指針
DWORD dwIoConrolCode; //DeviceIoControl例程中呼叫的控制碼
DWOD lpvInBuffer; //DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進來的輸入緩沖區地址
DWORD cbInBuffer; //輸入緩沖區的大小
DWORD lpvOutBuffer； //DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進來的輸出緩沖區地址
DWORD cbOutBuffer; //輸出緩沖區的大小
DWORD lpcbBytesReturned； //拷貝到輸出緩沖區中的字節數（可以為NULL）
DWORD lpOverlapped； //DeviceIoControl例程呼叫所傳遞進來的重疊I/O塊結構
DWORD hDevice; //Ring3層呼叫應用程序句柄
DWORD tagProcess; //例程標簽
}
DIOPARAMETERS;
其中，dwIoControlCode指明了Win32應用程序需要VXD提供的哪一項服務。在本例中采用一個switch-case語句作為服務入口，如下所示。其中服務1為讓串口送出一個字節，服務2為讀取一個已經由串口接收的字節。函數open_int()是用來初始化串口以便接收字節數據；函數BOOL serial_out（DWORD pBuffer）是讓串口發出一個字節。它們的函數體分別如下：
BOOL serial_out(DWORD pBuffer){
if(pBuffer= =NULL){
return FALSE;
}
_asm {
pushfd
cli
push eax
push edx
mov dx,0x3fb ;設置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 ;設置COM1的線控項
mov al,3
out dx,al
mov dx,0x3f9 ;CMM1關中斷
mov al,0
out dx,al
mov dx,0x3fa ;關閉com1的FIFO功能
mov al,0
out dx,al
mov dx,0x3f8 ;字節發送
mov al,byte ptr [pBuffer]
out dx,al
pop edx
pop eax
popfd
sti
}
return TRUE;
}
serial_out這個函數體的實現是用匯編語言實現的。因為涉及到很多的端口提供以及CPU的標志（flag）和壓棧操作，因此考慮到用匯編語言編寫會簡化代碼。因為此串口傳輸中，用到了關閉中斷的指令（cli），所以，當寫操作所要求完成的任務很多時，此關中斷指令會讓程序的實時性很好地體現出來，但cli指令有效時間過長會導致系統問題，所以還是要謹慎使用。
Void open_int(void){
_asm{
mov dx,0x3f9 ;COM1開中斷
mov al,0x05
out dx,al
}
return;
}
open_int函數用來把PC串口的中斷設備按照需要設立起來。函數體很簡單，僅改變了地址為3F9h的內容，意為設置Rx data ready和Line status中斷位，以便讓CPU可以及時在COM1的中斷服務程序里讀取串口接收到的字節。
以上涉及到串口輸入和輸出的函數體實現代碼中，用到了PC16550 UART的資料。
至此，一個可用于實時串口通信的VXD驅動程序已經完成。由于篇幅所限，不能將其它必要的文檔一同提出來討論。
3 Win32客戶測試程序
有了上述VXD驅動程序，還需要搭配一個Win32客戶程序來進行測試。在網絡補充版（http://www.dpj.com.cn）中，給出一個筆者在VC6下編制的一個控制臺應用程序片斷，以供參考。
現在編制VXD驅動還沒有一個集成開發環境（IDE）。本文的驅動程序是用VC6.0自帶的編譯器編譯的。由于要編譯匯編文檔，所以還需要把一個MASM匯編器（要求6.0以上版本）及其相關文檔拷貝到VC6.0的vc98u30446目錄下。
4 結論
通過以上對VXD技術的簡要分析以及一個用VXD實現的通信驅動可以看出，在Windows操作系統中，采用VXD技術，可以很好地克服由多工帶來的時延問題，很好地解決了在Windows平臺下實時通信的問題。
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