Даниель А. Нортон. Драйверы устройств в системе WINDOWS

Драйверы устройств, как правило, - наиболее критическая часть программного обеспечения компьютеров. По иронии судьбы это также и наиболее скрытая часть разработки программного обеспечения. Драйверы устройств системы Windows фирмы Microsoft не являются исключением. Если вы когда-либо писали обычное приложение в системе Windows, то вам известно, что требуется определенное количество скрытых способов, чтобы приложение работало надежно. Как подмножество приложений Windows, драйверы устройств системы Windows следуют этому же правилу. В данной статье автор рассматривает работающий драйвер устройства, который обеспечивает доступ к портам ввода-вывода и обрабатывает прерывания, и виртуальный драйвер устройства (VxD), который имитирует технические средства. Предполагается, что читатель знает основы программирования в системе Windows, включая библиотеки динамической связи (dynamic link libraries - DLLs).

Устройство

Рассматриваемое устройство - это не часть технических средств, которая была разработана, чтобы продемонстрировать, как писать драйвер устройства в системе Windows. Скорее, это виртуальное устройство, полностью реализованное в программном обеспечении. Программа-пример выполняется только с виртуальным устройством, которое автор определил работая с системой Windows в расширенном режиме (Enhanced mode) процессора 386, и при условии, что установлен виртуальный драйвер устройства (VxD). Далее в статье более детально будет описан исходный код для этого устройства. На данный момент следует знать, что устройство имеет два порта: порт состояния и порт управления, оба на одном и том же адресе. На рис. 1 показаны биты, используемые в порте состояния. Бит 2 указывает, что имела место ошибка устройства, бит 1 показывает, что запрос на прерывание является отложенным, а бит 0 указывает, что устройство занято. Бит 7 говорит о том, что устройство есть в наличии. В этом случае данный бит равен нулю. Если же устройство не установлено или к нему нет доступа, то бит принимает значение, равное 1.

BUSY - устройство занято.

(Остальные биты игнорируются для дальнейшей совместимости.)

Рис. 1. Биты порта состояния устройства

На рис. 2 показаны биты, используемые в порте управления. Бит 1 указывает устройству, что ЦПУ закончило обработку прерывания. Бит 0 показывает, что устройство может начать обработку ввода-вывода. (В данный момент не следует заострять внимание на том, что фактически устройство делает. Вместо этого, необходимо уделить внимание тому, как написать драйвер для такого устройства, которое обеспечивает аппаратные прерывания.)

START - сигнал для устройства начинать пересылку ввода-вывода.

(Остальные биты должны быть установлены в 1 для дальнейшей совместимости.)

Рис. 2. Биты порта управления устройства

Драйвер устройства в системе MS-DOS

На листинге 1 показана программа dostest.asm, представляющая собой обычный драйвер устройства для системы MS-DOS, который общается с устройством. Несмотря на простоту и малый размер данная программа содержит основные компоненты драйвера устройства, который обрабатывает прерывания.

_____________________________________________________________________

page ,132
    ; masm tisr ; >err
    .286p
    .xlist
    include ..\..\include\bogus.inc
    .list
    Words struc
    LoWord dw ?
    HiWord dw ?
    Words ends
    EOI equ 020h ; команда EOI для контроллера PIC
    INTA00 equ 020h ; управление главным контроллером PIC
    INTA01 equ 021h ; регистр маски главного контроллера PIC
    INT_MASTER_0 equ 08h ;номер INT главн. контроллера PIC
    INTB00 equ 0A0h ; управление подчиненным контроллером PIC
    INTB01 equ 0A1h ;регистр маски подчиненного контроллера PIC
    INT_SLAVE_0 EQU 70h ; номер INT подчиненного контроллера PIC
    ;
    ; Установить переменные для нашего номера прерывания
    ;
    ife (FAKE_IRQ GE 8)
    INT_DEV equ (INT_MASTER_0+(FAKE_IRQ AND 7))
    PIC00 equ INTA00
    PIC01 equ INTA01
    else
    INT_DEV equ (INT_SLAVE_0+(FAKE_IRQ AND 7))
    INT_MASK equ 1 SHL (FAKE_IRQ AND 7)
    PIC00 equ INTB00
    PIC01 equ INTB01
    endif
    CONST SEGMENT DWORD PUBLIC 'DATA'
    sdNoBogus db 'I do not see the bogus device.',Odh,Oah,'$'
    sdPrompt db Odh,Oah,'S)tart, or Q)uit: ','$'
    sdCRLF db Odh,Oah,'$'
    sdDot db '.','$'
    CONST ENDS
    DATA SEGMENT DWORD PUBLIC 'DATA'
    dwCount1 dw 0
    dwCount2 dw 0
    lpPrevISR dd 0 ; адрес предыдущей программы ISR
    fStopping db 0 ; значение TRUE при завершении
    DATA ENDS
    STACK SEGMENT DWORD STACK 'STACK'
    db 512 dup (?)
    STACK ENDS
    DGroup GROUP CONST,DATA,STACK
    ;IP IntSvcRtn - The Interrupt Service Routine (Программа
    обслуживания
    ; прерывания)
    ; WARNINGS (предупреждения)
    ;
    ; NOTES (примечания)
    ; Данная программа ISR увеличивает счетчик прерываний (dwCount1)
    ; и заново маскирует устройство.
    ;
    ; Если установлен флаг "fStopping", устройство не маскируется заново.
    ;
    FIXED_TEXT SEGMENT PARA PUBLIC 'CODE'
    segData1 dw DGroup
    assume CS:FIXED_TEXT,DS:NOTHING
    IntSvcRtn proc far
    push ax
    push dx
    push ds
    mov ds,segDatal
    assume ds:DGroup
    inc dwCount1
    mov al,NOT FAKE_CTL_EOI
    mov dx,FAKE_PORT
    out dx,al ; послать EOI устройству
    mov al,EOI
    out PIC00,al ; послать EOI контроллеру PIC
    ife (PIC00 EQ INTA00)
    out INTA00,al ; послать EOI главн. контроллеру PIC также
    endif
    cmp fStopping,0 ; существует?
    jnz isr9 ; если да, то не нужен перезапуск
    mov al,NOT FAKE_CTL_START
    mov dx,FAKE_PORT
    out dx,al ; перезапуск ввода-вывода
    isr9:
    pop ds
    assume ds:NOTHING
    pop dx
    pop ax
    iret
    IntSvcRtn endp
    FIXED_TEXT ENDS
    ;IP_main - точка входа в программу
    ; NOTES (примечания)
    ; Драйвер устройства выдает для пользователя приглашение:
    ;S)tart(начать) или Q)uit(выйти). Если пользователь нажимает S,
    ;программа разрешает прерывания и вооружает устройство, печатая точку
    ;каждый раз, как устройство прерывается.
    ;
    
    _TEXT SEGMENT PARA PUBLIC 'CODE'
    segData2 dw DGroup
    segfixed dw FIXED_TEXT
    assume cs:_TEXT,ds:NOTHING
    _main label far
    mov ds,segData2 ;инициализируется сегмент данных по умолчанию
    assume ds:DGroup
    mov dx,FAKE_PORT
    in al,dx ; присутствует ли фиктивное устройство?
    or al,al
    jns m10 ;пропустить, если да
    mov dx,OFFSET DGroup:sdNoBogus
    mov ah,9
    int 21h ; в противном случае печатать сообщение об ошибке
    mov ax,4C01h
    int 21h ; и выйти из системы
    m10:
    mov ax,3500h+INT_DEV
    cli
    int 21h ; запросить текущую программу ISR
    mov lpPrevISR.LoWord,bx
    mov lpPrevISR.HiWord,es ; сохранить ее
    mov dx,OFFSET FIXED_TEXT:IntSvcRtn
    push ds
    mov ds,segFixed
    assume ds:NOTHING
    mov ax,2500h+INT_DEV
    int 21h ; установить нашу программу ISR
    pop ds
    assume ds:DGroup
    sti
    mov dx,OFFSET DGroup:sdPrompt
    mov ax,9
    int 21h ; S)tart или Q)uit
    ml1:
    mov dl,0PFh
    mov ah,6
    int 21h ; читать с консоли, не ожидая
    jz ml3
    or al,40h
    cmp al,'q'
    je ml8 ; пропустить, если нажато "Q"
    cmp al,'s'
    jne ml3 ; пропустить, если не нажато "S"
    cli
    in al,PIC01 ; размаскировать прерывание
    and al,NOT INT_MASK
    out PIC01,al
    sti
    mov al,NOT FAKE_CTL_START
    mov dx,FAKE_PORT
    out dx,al ; начать ввод-вывод с устройства
    ml3:
    mov ax,dwCount1
    cmp ax,dwCount2
    je ml4 ; пропустить, если счетчик прерываний не изменился
    mov dwCount2,ax
    mov dx,OFFSET DGroup:sdDot
    mov ah,9
    int 21,h ;в противном случае выдать точку
    ml4:
    jmp ml1 ; цикл
    ml8:
    mov fStopping,1 ; указание для программы ISR завершить
    работу
    mov dx,FAKE_PORT
    ml9:
    in al,dx
    rcr al,1
    jnc ml9 ; цикл, если занято
    cli
    in al,PIC01
    or al,INT_MASK
    out PIC01,al ; маскировать уровень прерывания
    sti
    push ds
    lds dx,lpPrevISR>
    assume ds:NOTHING
    mov ax,2500h+INT_DEV
    int 21h ; восстановить предыдущую программу ISR
    pop ds
    assume ds:DGroup
    mov ax,4C00h
    int 21h ; выход
    _TEXT ENDS
    end_main
	

_____________________________________________________________________

Листинг 1. Программа dostest.asm

Драйвер устройства начинает работу с проверки старшего бита порта состояния, чтобы убедиться в наличии устройства. Затем он устанавливает связь с вектором прерывания MS-DOS для прерывания 11. Драйвер сохраняет предыдущее значение, хранимое в этом векторе, так чтобы можно было заменить значение, если программа существует.

Далее драйвер устройства выдает приглашение для пользователя : Start(начать) или Quit(выйти). Если пользователь нажимает S, программа начинает пересылку ввода-вывода. Если пользователь нажимает Q, то программа отключает устройство, восстанавливает вектор прерывания и завершается.

Чтобы начать операцию ввода-вывода, драйвер MS-DOS сначада размаскирует программируемый контроллер прерываний (programmable interrupt controller - PIC) для уровня прерывания устройства (в примере прерывание 11). Затем драйвер начинает операцию ввода-вывода для устройства путем записи 1 в бит 0 порта управления. Так как прерывания включены, то при возникновении прерываний на устройстве получит управление программа обслуживания прерываний (interrupt service routine - ISR).

Если происходит прерывание на устройстве, то программа ISR подтверждает прием прерывания, посылая значение EOI устройству (т.е. записывая 1 в бит 1 порта управления устройства) и контроллеру PIC. Если программа, выполняющая ввод-вывод, существует, то программа ISR выполняется. В противном случае программа ISR осуществляет инициализацию пересылки ввода-вывода вновь, записывая 1 в бит 0 порта управления устройства. Итак, программа ISR возобновляет ввод-вывод всякий раз, когда происходит прерывание, таким образом устройство непрерывно выполняет операцию ввода-вывода. Кроме обеспечения непрерывного ввода-вывода программа ISR увеличивает счетчик (dwCount1) всякий раз, когда обрабатывает прерывание.

В процессе выполнения ввода-вывода программа следит за счетчиком прерываний, отображает точку (".") для каждой законченной пересылки ввода-вывода и продолжает сканировать клавиатуру, чтобы определить, хочет ли пользователь остановить пересылку.

Чтобы завершить программу, пользователь нажимает клавишу Q. Программа устанавливает флаг, который информирует программу ISR о том, что следует остановить обработку. После того, как операция ввода-вывода остановлена, программа маскирует уровень прерывания в контроллере PIC и восстанавливает вектор прерывания.

Драйвер устройства в системе Windows

Чрезвычайно тривиальный драйвер устройства MS-DOS, описанный в предыдущем разделе, по существу довольно сложно реализовать в системе Windows. При написании драйвера устройства в системе Windows, обрабатывающего прерывания, необходимо использовать архитектуру, отличную от той, которая была использована для драйвера MS-DOS. В частности, необходимо отделить компоненту обработки прерывания от компоненты приложения. Вместо единственной программы, управляющей как программой ISR, так и интерфейсом пользователя, как сделано в системе MS-DOS, в системе Windows необходимо выделить эти функции в отдельные программные модули, называемые библиотекой динамической связи (DLL) и интерфейсом прикладных программ (Application Program Interface - API).

Библиотека DLL для драйвера

При написании приложений в системе Windows обычно в программном модуле имеют дело только с двумя типами сегментов: перемещаемым (moveable) и выгружаемым (discardable). Сегменты данных программы являются перемещаемыми, т.е. их линейные адреса в памяти могут изменяться, когда программе управления памятью системы Windows требуется организовать память. Селектор (selector) и смещение, используемые для доступа к определенной ячейке памяти, остаются фиксированными, но под схемой селектор-смещение система Windows может перемещать фактические данные в линейной памяти.

Сегменты программ-кодов также перемещаемые, но имеют дополнительный атрибут - выгружаемые. Их содержимое может быть выгружено полностью, а при необходимости загружено с диска, так как нельзя писать и (или) модифицировать информацию в сегменте программы-кода. Если при обращении к сегменту из программы Windows, он оказался выгруженным, программа управления памятью системы Windows автоматически обратится к диску и прочитает ранее выгруженный сегмент.

Итак, каким образом это обстоятельство влияет на код для программы ISR? Так как прерывание может произойти в любое время, а код ISR может оказаться выгруженным, то возникнет проблема загрузить код в память, если фиксируется прерывание. Вместо этого, можно описать сегмент как FIXED (фиксированный), а не как MOVEABLE (перемещаемый) или DISCARDABLE (выгружаемый). Сегмент с атрибутом FIXED будет оставаться в единственном месте линейной памяти и не будет выгружаться, даже если он содержит код. В этом случае, если произойдет прерывание, код будет доступен и готов к выполнению. Однако следует отметить один малоизвестный факт, а именно: в системе Windows только те сегменты будут считаться FIXED, которые были описаны в библиотеке DLL. Сегмент FIXED в обычном программном модуле будет рассматриваться как MOVEABLE. Таким образом в системе Windows нельзя будет поместить программу ISR в обычный программный модуль. Вместо этого ее необходимо поместить в библиотеку DLL.

Листинг 2 представляет исходный код bogusa.asm на ассемблере для библиотеки DLL, который содержит программу ISR и может выполняться в окружении Windows. Программа IntSvcRtn очень похожа на свой дубликат, работающий в системе MS-DOS. Однако кроме увеличения переменной-счетчика данная программа ISR также записывает в очередь сообщение Windows. Чтобы избежать переполнения очереди, запись сообщения производится только в случае, когда переменная-счетчик wCount изменяет значение от 0 к 1. Функция обнуления счетчика wCount после того, как закончена обработка сообщения, передана высокоуровневой программе системы Windows.

С первого взгляда все эти рассуждения кажутся простыми, однако обработка прерываний в системе Windows совсем не так проста, как в системе MS-DOS.

page ,132
    ; masm tisr ; >err
    .286p
    .xlist
    include bogus.inc
    include pic.h
    .list
    WM_COMMAND=0111h
    EXTRN POSTMESSAGE:FAR
    Words struc
    LoWord dw ?
    HiWord dw ?
    Words ends
    ;
    ; Установить переменные для нашего номера прерывания
    ;
    ife (FAKE_IRQ GE 8)
    INT_DEV equ (INT_MASTER_0+(FAKE_IRQ AND 7))
    PIC00 equ INTA00
    PIC01 equ INTA01
    else
    INT_DEV equ (INT_SLAVE_0+(FAKE_IRQ AND 7))
    INT_MASK equ 1 SHL (FAKE_IRQ AND 7))
    PIC00 equ INTB00
    PIC01 equ INTB01
    endif
    FIXED_DATA SEGMENT DWORD PUBLIC 'DATA'
    PUBLIC _hWndEvent,_wParamEvent,_wCount
    _hWndEvent label word
    hWndEvent dw 0 ; Окно для постирования событий
    _wParamEvent label word
    wParamEvent dw 0 ; Значение wParam для постирования
    _wCount label word
    wCount dw 0 ; Счетчик необработанных прерываний
    FIXED_DATA ENDS
    ; IP IntSvcRtn - программа обслуживания прерываний
    ;
    ; WARNINGS (Предупреждения)
    ;
    ; NOTES (Примечания)
    ; Данная программа ISR увеличивает счетчик прерываний и заново
    ; маскирует устройство.
    ; Если предыдущее значение счетчика было равно 0, то записывается
    ; сообщение
    ; Если установлен флаг "fStopping", устройство не маскируется заново.
    ;

    FIXED_TEXT SEGMENT PARA PUBLIC 'CODE'
    selData1 dw FIXED_DATA
    assume CS:FIXED_TEXT,DS:NOTHING
    PUBLIC _IntSvcRtn
    _IntSvcRtn label far
    IntSvcRtn proc far
    push ax
    push dx
    push ds
    mov ds,selDatal
    assume ds:FIXED_DATA
    inc wCount
    mov al,NOT FAKE_CTL_EOI>
    mov dx,FAKE_PORT
    out dx,al ; посылаем устройству EOI
    mov al,EOI
    out PIC00,al ; посылаем EOI контроллеру PIC
    ife (PIC00 EQ INTA00)
    out INTA00,al ; посылаем EOI также главному контроллеру PIC
    endif
    cmp hWndEvent,0 ; завершать?
    jz isr9 ; если да, то не делаем перезапуска и
    ; постирования
    cmp wCount,1 ; требуется постирование?
    jne isr8 ; пропускаем, если нет
    push bx ; сохраняем оставшиеся регистры
    push cx
    push es
    push hWndEvent
    push WM_COMMAND
    push wParamEvent
    push 0 ; lParam равно 0
    push 0
    call POSTMESSAGE ; регистрируем событие
    pop es
    pop cx
    pop bx
    isr8:
    mov al,NOT FAKE_CTL_START
    mov dx,FAKE_PORT
    out dx,al ; возобновляем ввод-вывод
    isr9:
    pop ds
    assume ds:NOTHING
    pop dx
    pop ax
    iret
    IntSvcRtn endp
    ; требуется программе AllocIntReflector
    PUBLIC _BogusCallback
    _BogusCallback label far
    BogusCallback proc far
    pushf
    call IntSvcRtn
    ret
    BogusCallback endp
    FIXED_TEXT ENDS
    end
    ; конец файла
    

_____________________________________________________________________

Листинг 2. Программа bogusa.asm

Драйверный интерфейс API

Кроме отдельного программного модуля для программы ISR (в форме библиотеки DLL системы Windows), для работы драйвера необходим также программный модуль пользовательского интерфейса, называемый интерфейс API. На листинге 3 приведена программа bogus.h, представляющая собой пример интерфейса API. Эта программа содержит 4 точки входа в библиотеку DLL.

_____________________________________________________________________

    #ifndef EXPORT
    #define EXPORT
    #endif
    extern int EXPORT FAR PASCAL BogusCheck(void) ;
    extern void EXPORT FAR PASCAL BogusStart(HWND hWnd,WPARAM wParam) ;
    extern int EXPORT FAR PASCAL BogusGetEvent(void) ;
    extern void EXPORT FAR PASCAL BogusStop(void) ;
    

______________________________________________________________________

Листинг 3. Программа bogus.h.

В точке входа BogusCheck просто проверяется наличие устройства. Программа возвращает значение TRUE, если устройство обнаружено (бит 7 порта состояния), и значение FALSE в противном случае.

Точки входа BogusStart и BogusStop начинают и завершают работу устройства. Кроме того, точка входа BogusStart разрешает прерывания и обеспечивает связь с аппаратным прерыванием, а точка входа BogusStop выключает прерывания устройства и восстанавливает аппаратное прерывание.

Точка входа BogusGetEvent возвращает количество прерываний, обработанных со времени первого старта устройства, либо со времени последнего вызова точки входа BogusGetEvent. (Точка входа BogusGetEvent обнуляет счетчик прерываний при каждом ее вызове.)

Прерывания при стандартном режиме работы системы Windows

При написании драйвера, который будет выполняться в стандартном режиме работы системы Windows, необходимо учитывать возможность появления прерывания, когда процессор работает в реальном режиме. Даже если работают только приложения системы Windows, а не приложения системы MS-DOS, процессор часто переключается из реального в защищенный режим. Так как система Windows 3.1 не является операционной системой, а скорее представляет собой окружение пользовательского интерфейса, она возлагает выполнение определенного количества основных функций, включая функцию ввода-вывода файлов, на операционную систему (а именно MS-DOS).

Поэтому когда приложение системы Windows выполняет функцию MS-DOS ввода-вывода файла и процессор при этом работает в реальном режиме, устройство может прерывать ЦПУ. По умолчанию, если библиотека DLL обеспечила связь с прерыванием, то система Windows переключит ЦПУ в защищенный режим для обработки прерывания и, как только программа ISR завершит работу, переключит ЦПУ обратно в реальный режим для продолжения выполнения функций системы MS-DOS.

Хотя это в меньшей мере относится к ЦПУ 80386, переключение процессора из защищенного режима в реальный режим, например на процессоре 80286, создает огромные накладные расходы, требующие контролируемого сброса ЦПУ, который выполняется в течении миллисекунд. Если необходимо ускорить среднее время ответа, нужно предотвратить переключение процессора в защищенный режим, если он получает прерывание, работая в реальном режиме.

Обеспечение связи с вектором прерывания в защищенном режиме из библиотеки DLL системы Windows - тривиально, что и показано в программе SetPMVector, представленной в листинге 4 (программа bogus.c). Установление связи с вектором производится таким же способом, как и в системе MS-DOS, - с помощью функции setvector системы MS-DOS. Однако в отличие от вызова в системе MS-DOS, в системе Windows при обращении к функции передаются селектор и смещение, а не сегмент и смещение. Ядро системы Windows следит за всем. Функции следует передать нормальный селектор и смещение (натуральный указатель far для системы Windows), а не сегмент и смещение (натуральный указатель far для системы MS-DOS).

Однако, как уже упоминалось, установления связи с вектором прерывания в защищенном режиме недостаточно. Необходимо также обеспечить связь с вектором прерывания в реальном режиме, а это не тривиальная задача.

______________________________________________________________________

/*EM BOGUS.C - Драйвер фиктивного устройства библиотеки DLL
    *
    * SUMMARY (Резюме)
    * Базовые функции LibMain, WEP
    *
    * COMMENTS (Комментарии)
    *
    * WARNINGS (Предупреждения)
    *
    */
    #include
    #include "bogusa.h"
    #include "pic.h"
    #include "dpmi.h"
    #define EXPORT _export _loadds
    #include "bogus.h"
    #define FAKE_PORT 0x141 /* Уровень фиктивности (bogosity) - 9.4 */
    #define FAKE_IRQ 11 /* Уровень фиктивности (bogosity) - 9.8 */
    #define FAKE_CTL_START 0x01
    /* команда "начать" фиктивного порта (устанавливается в нуль) */
    #define FAKE_CTL_EOI 0x02
    /* EOI фиктивного порта */
    #define FAKE_STAT_BUSY 0x01
    /* индикация занятости фиктивного порта (zero=>busy) */
    #define FAKE_STAT_IRQ 0x02
    /* IRQ фиктивного порта (zero=>IRQ) */
    #define FAKE_STAT_ERROR 0x04
    /* ошибка ввода-вывода (zero=>error) (сбрасывается при чтении) */
    /* Установить переменные для нашего номера прерывания */
    #if (FAKE_IRQ<8)
    #define INT_DEV (INT_MASTER_0+(FAKE_IRQ & 7))
    #define PIC00 INTA00
    #define PIC01 INTA01
    #else
    #define INT_DEV (INT_SLAVE_0+(FAKE_IRQ & 7))
    #define PIC00 INTB00
    #define PIC01 INTB01
    #endif
    #define INT_MASK (1 << (FAKE_IRQ & 7))
    BOOL FAR PASCAL LibMain(HANDLE hInstance
    /* обработчик библиотечного экземпляра*/
    ,WORD wDataSeg
    /* сегмент данных по умолчанию */
    ,WORD cbHeap
    /* размер динамической области по умолчанию */
    ,LPSTR lpszCmdLine) ;
    /* командная строка */
    int FAR PASCAL WEP(int fSystemExit) ;
    #pragma alloc_text(INIT_TEXT,LibMain)
    /* держать вместе с LIBENTRY.ASM */
    #pragma alloc_text(FIXED_TEXT,WEP)
    HANDLE hLibInstance;
    FARPROC lpfnPrevISR; /* Сохраненная предыдущая программа ISR*/
    DWORD lpfnPrevRMISR;
    /* Сохраненная предыдущая программа ISR реального режима*/
    HANDLE hReflector;

    DWORD DPMI_AllocateRMCallback(FARPROC lpfnCallback, _RMCS FAR *lpRMCS)
    {
     DWORD dwRet ;
     _asm {
       push ds
       lds si,lpfnCallback
       les di,lpRMCS
       mov ax,DPMI_ALLOCRMC
       int IVEC_DPMI
       pop ds
       jc lbl1
       mov word ptr dwRet,dx ; возврат адреса обратного вызова
       mov word ptr dwRet+2,cx
       jmp short lbl2
      lbl1:
       mov word ptr dwRet,ax ; код ошибки в регистре ax
       mov word ptr dwRet+2,0 ; возвратить seg=0,если произошла ошибка
      lbl2:
     }
     return dwRet;
    }

    DWORD DPMI_FreeRMCallback(FARPROC lpfnCallback)
    {
     DWORD wRet ;
     _asm {
       mov dx,word ptr lpfnCallback
       mov cx,word ptr lpfnCallback+2
       mov ax,DPMI_FREERMC
       int IVEC_DPMI
       jc lbl1
       xor ax,ax
      lbl1:
       mov wRet,ax
     }
     return wRet;
    }

    DWORD DPMI_GetRMVector(int iVector)
    {
     DWORD dwRet;
     _asm {
       mov ax,DPMI_GETRMVEC
       mov bl,byte ptr iVector
       int 31h
       mov word ptr dwRet,dx
       mov word ptr dwRet+2,cx
     }
     return dwRet;
    }

    void DPMI_SetRMVector(int iVector, DWORD lpfnRMISR)
    {
     _asm {
       mov ax,DPMI_SETRMVEC
       mov bl,byte ptr iVector
       mov dx,word ptr lpfnRMISR
       mov cx,word ptr lpfnRMISR+2
       int 31h
     }
    }

    FARPROC GetPMVector(int iVector)
    {
     FARPROC dwRet;
     _asm {
       mov bl,byte ptr iVector
       mov ah,35h
       int 21h
       mov word ptr dwRet,bx
       mov word ptr dwRet+2,es ; Сохранить
     }
     return dwRet;
    }

    void SetPMVector(int iVector, FARPROC lpfnISR)
    {
     _asm {
       push ds
       lds dx,lpfnISR
       mov al,byte ptr iVector
       mov ah,25h
       int 21h ; Установить нашу программу ISR
       pop ds
     }
    }

    HANDLE AllocIntReflector(int iVector, FARPROC lpfnCallback)
    {
      DWORD dwDosMem;
      LPSTR lpLowRMISR;
      DWORD lpfnRMCallback;
      _RMCS FAR *lpSaveRegs;
      /* Распределить память DOS для программы обслуживания прерывания ISR,
      *работающей в реальном режиме */
      dwDosMem = GlobalDosAlloc(16 + sizeof (int) + sizeof (_RMCS);
      if (dwDosMem == 0)  return 0;
      lpLowRMISR = (LPSTR) MAKELONG(0,LOWORD(dwDosMem));
      lpSaveRegs = (_RMCS FAR *) (&lpLowRMISR[16]);
      /* Распределить обратный вызов (callback), работающий в реальном
      * режиме */
      lpfnRMCallback = DPMI_AllocateRMCallback((FARPROC)lpfnCallback, lpSaveRegs);
      if (HIWORD((DWORD)lpfnRMCallback == 0)  {
        GlobalDosFree(LOWORD(dwDosMem));
        return 0;
      }
      /* Сгенерировать код в нижних адресах памяти (только 6 байтов)*/
      lpLowRMISR[0] = 0x9A; /* Вызов указателя на FAR */
      *((DWORD FAR *)&(lpLowRMISR[1])) = lpfnRMCallback;
      lpLowRMISR[5] = 0xCF; /*IRET */
      *((int FAR *)&(lpLowRMISR[6])) = iVector;
      /* Установить связь с вектором прерываний реального режима */
      DPMI_SetRMVector(iVector,MAKELONG(0,HIWORD(dwDosMem)));
      return (HANDLE) LOWORD(dwDosMem);
      /* возврат обработчика-отражателя */
    }

    void FreeIntReflector(HANDLE hReflector)
    {
      LPSTR lpLowRMISR;
      DWORD lpfnRMCallback;
      /* Получить адрес нижнего ISR в защищенном режиме */
      lpLowRMISR = (LPSTR)MAKELONG(0,(WORD)hReflector);
      /* Следует убедиться, что это отражатель */
      if ((lpLowRMISR[0] != 0x9A) || (lpLowRMISR[5] != 0xCF)) return;
      /* выход, если не отражатель */
      /* Выбрать адрес обратного вызова и освободить обратный вызов */
      lpfnRMCallback = *((DWORD FAR *)&((lpLowRMISR[1]));
      DPMI_FreeRMCallback(lpfnRMCallback);
      /* Освободить программу обслуживания прерываний реального режима*/
      GlobalDosFree((WORD)hReflector);
    }

    /*XP< LibMain - основная библиотечная точка входа */
    *
    * ENTRY (вход)
    *
    * EXIT (выход)
    *
    * RETURNS (возврат)
    * Если инициализация завершается успешно принимает значение, равное
    * TRUE, в противном случае - FALSE
    *
    * WARNINGS (предупреждения)
    *
    * CALLS (вызовы)
    *
    * NOTES (примечание)
    * Настоящая библиотечная точка входа находится в ассемблерном модуле
    * LIBENTRY.ASM, а в данную точку просто передается управление
    *
    */

    BOOL FAR PASCAL LibMain(HANDLE hInstance
    /* обработчик библиотечного экземпляра*/
    ,WORD wDataSeg
    /* сегмент данных по умолчанию */
    ,WORD cbHeap
    /* размер динамической области по умолчанию */
    ,LPSTR lpszCmdLine);
    /* командная строка */
    /*>*/
    {
      lpszCmdLine = lpszCmdLine;
      /* Избегать предупреждения -W4 */
      wDataSeg = wDataSeg;
      cbHeap = cbHeap;
      hInstance = hInstance;
      /* Это может понадобиться позже для доступа к ресурсам из нашего
      *исполнительного модуля */
      return TRUE;
    }

    /*XP< WEP - процедура выхода в системе Windows */
    *
    * ENTRY (вход)
    * fSystemExit указывает на завершение сессии в системе Windows. В
    * противном случае происходит только разгрузка данной библиотеки DLL.
    * RETURNS (возврат)
    * Всегда возвращается значение 1
    *
    * WARNINGS (предупреждения)
    * Из-за ошибок в системе Windows 3.0 и более ранних версиях (а
    * возможно и в более поздних версиях) данная функция должна быть
    *помещена в фиксированный сегмент. Эти же ошибки приводят к тому, что
    * значение DS сомнительно, а поэтому нельзя его использовать (также
    * как и любые статические данные).
    *
    * В любом случае, несомненно не надо ничего делать в этой точке.
    *
    * CALLS (вызовы)
    * Нет
    * NOTES (примечания)
    * Это стандартная процедура выхода DLL.
    *
    */

    int FAR PASCAL WEP(int fSystemExit)
    /*>*/
    {
      fSystemExit = fSystemExit
      /* Избегать предупреждения -W4 */
      return 1 ; /* всегда указывает на успешное завершение */
    }

    int EXPORT FAR PASCAL BogusCheck(void)
    {
      BYTE bPortVal;
      _asm {
        mov dx,FAKE_PORT
        in al,dx ; Присутсвует фиктивное устройство ?
        mov bPortVal,al
      }
      return ((bPortVal & 0x80) == 0);
      /* Возвращает значение TRUE, если устройство присутствует */
    }

    void EXPORT FAR PASCAL BogusStart(HWND hWnd, WPARAM wParam)
    {
      wParamEvent = wParam;
      hWndEvent = hWnd;
      if (!lpfnPrevISR)  {
        /* Сохранить предыдущую программу ISR и загрузить новую */
        _asm cli
        lpfnPrevISR = GetPMVector(INT_DEV);
        SetPMVector(INT_DEV,(FARPROC)IntSvcRtn);
        _asm sti
        /* Сохранить предыдущую программу ISR реального режима и
        *отразить на новую */
        lpfnPrevRMISR = DPMI_GetRMVector(INT_DEV);
        hReflector = AllocIntReflector(INT_DEV,(FARPROC)BogusCallback);
        /* Разрешить прерывание и начать операцию ввода-вывода на
        *устройстве */
        _asm {
          cli
          in al,PIC01 ; разрешить прерывание
          and al,NOT INT_MASK
          out PIC01,al
          sti
          mov al,NOT FAKE_CTL_START
          mov dx,FAKE_PORT
          out dx,al ;начать операцию ввода-вывода на устройстве
        }
      }
    }

    int EXPORT FAR PASCAL BogusGetEvent(void)
    {
      WORD wCountRet;
      _asm {
        mov ax,SEG wCount
        mov es,ax
        xor ax,ax
        xchg ax,es:wCount ;получить счетчик, установить в нуль
        mov wCountRet,ax
      }
      return wCountRet;
    }

    void EXPORT FAR PASCAL BogusStop(void)
    {
      hWndEvent - 0x0000 ; /*команда для ISR "завершить работу"*/
      if (!lpfnPrevISR) return; /* возвратиться, если программа не стартовала */
      _asm {
        mov dx,FAKE_PORT
       l1:
        in al,dx
        rcr al,1
        jnc l1 ; цикл, если занято
        cli
        in al,PIC01
        or al,INT_MASK
        out PIC01,al ; маскировать уровень прерывания
        sti
      }
      DPMI_SetRMVector(INT_DEV, lpfnPrevRMISR);
      /* Восстановить вектор реального режима */
      FreeIntReflector(hReflector);
      /* Освободить отражатель */
      SetPMVector(INT_DEV, lpfnPrevISR);
      /* Восстановить вектор защищенного режима */
      lpfnPrevISR = NULL;
    }


    /* конец файла*/
    

_____________________________________________________________________

Листинг 4. Программа bogus.c

Интерфейс системы MS-DOS для защищенного режима

Чтобы установить связь с вектором реального режима из кода системы Windows защищенного режима, необходимо работать с интерфейсом системы MS-DOS для защищенного режима (MS-DOS Protected Mode Interface - DPMI). (Текущая версия DPMI представляет собой уровень 1.0, но система Windows наиболее полно реализует только уровень 0.9. Некоторые функции уровня 1.0 реализованы в системе Windows 3.1.)

Функция DPMI_SetRMVector вызывает интерфейс DPMI, чтобы установить вектор реального режима. Можно видеть, что интерфейс DPMI взаимодействует через регистры (регистр AX содержит функциональный код) и INT31h. Автор включил высокоуровневый интерфейс в данную и другие функции DPMI (доступен только на диске кодов или в интерактивном режиме), чтобы можно было иметь доступ к интерфейсу DPMI из языка Си и выделил код, написанный на языке ассемблер, на случай, если возникнет необходимость использовать что-то отличное от компилятора Си фирмы Microsoft.

Функция DPMI_AllocateRMCallback вызывает интерфейс DPMI, чтобы распределить обратный вызов (callback), представляющий собой адрес, вызываемый из реального режима, который передает управление коду защищенного режима. Например, программа TSR системы MS-DOS может вызвать код в библиотеке DLL системы Windows через обратный вызов.

Функция DPMI_AllocateRMCallback принимает два параметра: адрес кода защищенного режима, который будет вызываться обратно, и регистровую структуру, которая обновляется при выполнении реального обратного вызова, таким образом код защищенного режима может исследовать содержимое регистров реального режима во время обратного вызова.

Функция DPMI_FreeRMCallback освобождает все структуры, которые были распределены в результате обращения к функции DPMI_AllocateRMCallback. Функция DPMI_FreeRMCallback должна вызываться только тогда, когда больше нет необходимости в обратном вызове.

Программа ISR в реальном режиме

Несмотря на то, что автор рекомендовал обеспечивать раздельную программу ISR в реальном режиме, в данном примере эта рекомендация не была выполнена. Вместо этого, автор предоставил программы, необходимые при реализации программы ISR на языке Си. Фактически, данный пример устанавливает связь с прерываниями реального режима только для того, чтобы переключить ЦПУ в защищенный режим для обработки прерывания. Таково по умолчанию поведение системы Windows, когда с прерываниями реального режима не устанавливается связь вообще, таким образом автор рассматривает несколько циклов, которые не имеют никакого другого назначения, кроме как показать, каким образом все работает.

Рассмотрим код для точки входа BogusStart. По существу он работает так же, как работал бы в системе MS-DOS. Код сохраняет старое значение прерывания, обеспечивает связь с текущим значением и подает устройству знак начать работу. Однако вместо обеспечения связи только с вектором защищенного режима, он устанавливает связь как с вектором реального режима, так и с вектором защищенного режима. Устанавливая связь с вектором реального режима, код вызывает AllocIntReflector, чтобы обеспечить ссылку вектора прерываний реального режима на обратный вызов, который просто обращается к программе ISR защищенного режима. Точка входа BogusStart подает знак устройству начинать работу одинаковым образом при обоих режимах работы: защищенном и реальном. Она размаскирует бит IRQ для контроллера PIC и подает знак устройству начинать работу, записывая 1 в бит START порта управления устройством. Как только приложение обращается к данной программе, начинается обработка прерываний и регистрация сообщений в соответствии с программой ISR.

Программа BogusStop тривиальна и просто отключает устройство и разрывает связи, установленные программой BogusStart. Итак, осталось привести пример прикладной программы, чтобы показать работу операций ввода-вывода.

Приложение WINTEST

Приложение wintest.c, показывающее работу ввода-вывода (см. листинг 5), состоит главным образом из немодульного диалогового блока, в котором непрерывно высвечивается количество прерываний, обработанных с начала работы программы.

Программа MainDlgProc вызывает программу BogusStart во время выполнения WM_INITDIALOG, передавая в качестве параметра обработчик окна диалогового блока. Программа ISR регистрирует сообщения к данному обработчику в тех случаях, когда счетчик прерываний изменяется от нуля к единице.

Программа MainDlgProc сохраняет текущее суммарное значение счетчика в переменной wCountTotal. Всякий раз, когда диалог получает сообщение WM_COMMAND с параметром wParam, равным IDM_BOGUSEVENT, программа обновляет суммарный счетчик, отображаемый в диалоговом блоке. Следует отметить, что хотя программа ISR регистрирует сообщение только тогда, когда счетчик изменяется от нуля к единице, возможна (и весьма вероятно) обработка количества прерываний до того, как сообщение WM_COMMAND фактически будет передано диалоговой процедуре. Методика, показанная в данной программе, при которой программа ISR регистрирует сообщение только при первом переходе, а программа BogusCheck чистит счетчик, обеспечивает точный подсчет количества прерываний, даже если на уровне приложения нельзя учесть каждое прерывание в момент его возникновения.

При выполнении данной программы можно наблюдать, что счетчик прерывания в диалоговом блоке непрерывно увеличивается, указывая количество выполненных операций ввод-вывода.

Драйвер виртуального устройства

Файл vxd2.asm (листинги 6 и 7) представляет собой исходный код драйвера фиктивного устройства. Следует отметить, что для того, чтобы построить этот драйвер, необходимо иметь комплект драйверов устройств (Device Driver Kit - DDK) системы Windows фирмы Microsoft, т.к. код написан для 32-битового ассемблера, предусмотренного в комплекте DDK (MASM5). Результирующий модуль может быть скомпонован только DDK-компоновщиком LINK386 и утилитой послекомпоновочной обработки ADDHDR. Кроме того, данный исходный код ссылается на определенное количество включаемых файлов (include files), которые входят в состав только комплекта DDK.

Как было указано, типичный драйвер VxD содержит обязательные включаемые файлы, а кроме того он начинается с вызова макроса Declare _Virtual_Device, который создает блок данных, описывающий виртуальный драйвер для ядра системы Windows. Этот блок данных, фактически, -единственное обозначение, экспортируемое из драйвера VxD. Все остальные точки входа являются производными от данных, содержащихся внутри. Кроме всего прочего, данный макрос описывает имя устройства, порядок его инициализации и его точки входа. Виртуальный драйвер VxD может обслуживать запросы приложений как в реальном, так и в защищенном режимах. Точки входа для такого обслуживания также описываются данным макросом.

Листинг 7. Программа vxd2.def

События, управляющие устройством

По мере того, как система Windows в своей работе проходит различные стадии, начиная со стадии инициализации самой системы, через инициализацию виртуальной машины VM и так далее, каждый установленный драйвер VxD вызывается неоднократно, а именно один раз на каждую стадию. В таблице, приведенной ниже, перечисляются фазы системы Windows и главные события, для которых вызывается каждый драйвер VxD.

-------------------+--------------------------------------------------

Драйвер VxD примера выполняет управление только фазой Device_Init. На этой стадии устанавливается связь с портом ввода-вывода и уровнем прерывания 11, а также производится их виртуализация. Обычно драйвер VxD виртуализирует порты ввода-вывода и прерывание в соответствии с физическим аппаратным оборудованием. Но в данном случае драйвер VxD может виртуализировать и делает это с портом и прерыванием, которые не имеют соответствующего подключенного аппаратного оборудования.

Код Install_IO_Handler вызывается, чтобы виртуализировать единственный порт ввода-вывода. Затем всякий раз, когда осуществляется доступ к описанному порту ввода-вывода из виртуальной машины VM, программа управления виртуальной машиной системы Windows (Virtual Machine Manager - VMM) вызывает обратно драйвер VxD для того, чтобы разрешить ему имитировать операции ввода-вывода.

Код VPICD_Virtualize_IRQ вызывается, чтобы виртуализировать уровень прерывания. Выполняя его, можно имитировать прерывание аппаратного оборудования (в частности IRQ 11) в виртуальной машине.

"Фиктивное" устройство

Когда к порту ввода-вывода (141) устройства осуществляется доступ виртуальной машиной VM (либо в реальном, либо в защищенном режиме), то машина вызывает программу драйвера VxD Port_IO_Callback (см. Листинг 6). В этой программе подпрограмма Dispatch_Byte_IO сводит большое количество возможных типов доступа ввода-вывода (а именно: byte, word, dword, string и т.д.) к двум: байтовому вводу и байтовому выводу.

Для устройства из примера байтовый ввод представляет собой чтение из регистра состояния устройства. Он возвращает просто переменную, которая сохраняется в памяти.

Байтовый вывод - немного более сложная операция, так как представляет фактическую работу устройства. При запуске устройства также запускается таймер, который выполняет обратный вызов (к коду TimeoutProc) в течении 1/10 секунды и устанавливает состояние BUSY. Если вывод подтверждает прием прерывания, то производится очистка виртуального запроса на прерывание путем вызова кода VPICD_Clear_Int_Request и очистка состояния в регистре состояния.

Обратный вызов кода TimeoutProc представляет завершение операции ввода-вывода на устройстве и именно в данный момент он моделирует прерывание аппаратного оборудования к виртуальной машине VM путем вызова кода VPICD_Clear_Int_Request и очистки состояния занятости устройства. Драйвер устройства в приложениях dostest и wintest будет обычно обрабатывать прерывание путем подтвержения приема его (посылая EOI) и повторного запуска процесса на всем протяжении снова.

Следует отметить процедуры VxD2_VInt_Proc и VxD2_IRET _Proc. На данные две процедуры существует ссылка в структуре, которая передается коду VPICD_Virtualize_IRQ. Они вызываются в начале и конце процесса виртуализации прерывания в виртуальную машину VM. Все их функции сводятся к увеличению и сохранению приоритета виртуальной машины VM, которая временно обрабатывает данное прерывание. Таким способом драйвер VxD может управлять приоритетом виртуальной машины VM, которая считается соответствующей. (Всегда желательно, чтобы программа обслуживания прерывания в любой виртуальной машине VM имела приоритет выше, чем приоритет обычной обработки в других виртуальных машинах VM.)

Установка драйвера VxD

После построения драйвера VxD, до первого обращения к нему программы Windows необходимо добавить его как строку device= в секцию [386Enh] кода system.ini. Система Windows должна быть запущена заново, чтобы включить драйвер VxD и виртуальное устройство. После этого, можно выполнять и тестировать приложения dostest и wintest.

Заключение

Хотя драйверы устройств системы Windows кажутся в настоящее время очень сложными, обычные и виртуальные драйверы устройств предоставляют огромное количество возможностей. Однако следует учитывать, насколько более сложными они должны быть на машине MIPS, эксплуатирующей систему Windows NT и код эмулятора 80x86, чтобы обеспечить работу виртуальной машины системы MS-DOS.