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在DOS操作系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可以直接與硬件打交道，包括I/O端口讀寫、中斷請求與響應(yīng)以及DMA操作等[1]。這種對硬件過于直接的操作方式給軟件設(shè)計提供了一定的便利，但也有它自身的一些缺點。首先，一些非法操作有可能改寫某些硬件寄存器的內(nèi)容，導(dǎo)致操作系統(tǒng)崩潰，從而使操作系統(tǒng)變得不安全，性能不穩(wěn)定；其次，應(yīng)用程序的可移植性變差。為了保證操作系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性以及應(yīng)用程序的可移植性，Windows操作系統(tǒng)不允許應(yīng)用程序直接訪問系統(tǒng)的硬件資源，而是必須借助于相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序可以直接操作硬件，如果應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序之間實現(xiàn)了雙向通信，也就達到了應(yīng)用程序控制底層硬件設(shè)備的目的。它們之間的通信包括兩個方面：一方面是應(yīng)用程序傳送給設(shè)備驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)；另一方面是設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送給應(yīng)用程序的消息。前者的實現(xiàn)較容易，通過CreateFile()函數(shù)獲取設(shè)備驅(qū)動程序的句柄后，就可以使用Win32函數(shù)，如DeviceIoControl()、 ReadFile()或WriteFile()等實現(xiàn)應(yīng)用程序與設(shè)備驅(qū)動程序之間的通信[2]。DDK和MSDN對它們有詳細的描述，讀者可以參考相關(guān)資料。后者的實現(xiàn)遠比前者復(fù)雜，同時介紹這方面情況的文章較少。這不等于說它不重要，相反，它在有些應(yīng)用場合發(fā)揮著重要的作用。例如，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，應(yīng)用程序向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令后，建立一個輔助線程等待數(shù)據(jù)采集完成，而應(yīng)用程序本身則可繼續(xù)干其它的工作。設(shè)備驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)的采集工作后，需要馬上通知應(yīng)用程序，以便應(yīng)用程序能夠及時將數(shù)據(jù)取走并進行處理。諸如此類情況，不一而足。 鑒于設(shè)備驅(qū)動程序通知應(yīng)用程序的重要性，作者結(jié)合一些經(jīng)驗和已有的資料[3~5]，對它進行了總結(jié)，歸納出5種方法：異步過程調(diào)用(APC)、事件方式（VxD）、消息方式、異步I/O方式和事件方式(WDM)。下面分別說明這幾種方式的原理，并給出實現(xiàn)的部分源代碼。 1 異步過程調(diào)用(APC) Win32應(yīng)用程序使用CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動程序，然后定義一個回調(diào)函數(shù)backFunc()，并且將回調(diào)函數(shù)的地址&backFunc()作為參數(shù)，通過DeviceIoControl()傳送給設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序獲得回調(diào)函數(shù)的地址后，將它保存在一個全局變量（如callback）中，同時調(diào)用Get_Cur_Thread_Handle()函數(shù)獲取它的應(yīng)用程序線程的句柄，并且將該句柄保存在一個全局變量（如appthread）中。當條件成熟時，設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用_VWIN32_QueueUserApc()函數(shù)，向Win32應(yīng)用程序發(fā)送消息。這個函數(shù)帶有三個參數(shù)：第一個參數(shù)為回調(diào)函數(shù)的地址（已經(jīng)注冊）；第二個參數(shù)為傳遞給回調(diào)函數(shù)的消息；第三個參數(shù)為調(diào)用者的線程句柄（已經(jīng)注冊）。 Win32應(yīng)用程序收到消息后，自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)（實際是由設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用）。回調(diào)函數(shù)的輸入?yún)?shù)是由設(shè)備驅(qū)動程序填入的，回調(diào)函數(shù)在這里主要是對消息進行處理。 2 事件方式（VxD） 首先，Win32應(yīng)用程序創(chuàng)建一個事件的句柄，稱其為Ring3句柄。由于虛擬設(shè)備驅(qū)動程序使用事件的Ring0句柄，因此，需要創(chuàng)建 Ring0句柄。用LoadLibrary()函數(shù)加載未公開的動態(tài)鏈接庫Kernel32.dll，獲得動態(tài)鏈接庫的句柄。然后，調(diào)用 GetProcAddress(), 找到函數(shù)OpenVxDHandle()在動態(tài)鏈接庫中的位置。接著，用OpenVxDHandle()函數(shù)將Ring3事件句柄轉(zhuǎn)化為Ring0事件句柄。Win32應(yīng)用程序用CreateFile()函數(shù)加載設(shè)備驅(qū)動程序。如果加載成功，則調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)將Ring0事件句柄傳給VxD；同時，創(chuàng)建一個輔助線程等待信號變成有信號狀態(tài)，本身則可去干其它的事情。當條件成熟時，VxD置Ring0事件為有信號狀態(tài)（調(diào)用 _VWIN32_SetWin32Event()函數(shù)），這馬上觸發(fā)對應(yīng)的Ring3事件為有信號狀態(tài)。一旦Ring3事件句柄為有信號狀態(tài)，Win32 應(yīng)用程序的輔助線程就對這個消息進行相應(yīng)的處理。 3 消息方式 Win32應(yīng)用程序調(diào)用CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載虛擬設(shè)備驅(qū)動程序。加載成功后，通過調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)將窗體句柄傳送給VxD，VxD利用這個句柄向窗體發(fā)消息。當條件滿足時，VxD調(diào)用SHELL_PostMessage()函數(shù)向Win32應(yīng)用程序發(fā)送消息。要讓該函數(shù)使用成功，必須用#define來自定義一個消息，并且也要照樣在應(yīng)用程序中定義它；還要在消息循環(huán)中使用ON_MESSAGE()來定義消息對應(yīng)的消息處理函數(shù)，以便消息產(chǎn)生時，能夠調(diào)用消息處理函數(shù)。SHELL_PostMessage()函數(shù)的第一個參數(shù)為Win32窗體句柄，第二個參數(shù)為消息ID號，第三、四個參數(shù)為發(fā)送給消息處理函數(shù)的參數(shù)，第五、六個參數(shù)為回調(diào)函數(shù)和傳給它的參數(shù)。Win32應(yīng)用程序收到消息后，對消息進行處理。 4 異步I/O方式 Win32應(yīng)用程序首先調(diào)用CreateFile()函數(shù)加載設(shè)備驅(qū)動程序。在調(diào)用該函數(shù)時，將倒數(shù)第2個參數(shù)設(shè)置FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_ OVERLAPPED，表示以后可以對文件進行重疊I/O操作。當設(shè)備驅(qū)動程序文件創(chuàng)建成功后，創(chuàng)建一個初始態(tài)為無信號、需要手動復(fù)位的事件，并且將這個事件傳給類型為OVERLAPPED的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如Overlapped）。然后，將Overlapped作為一個參數(shù)，傳給 DeviceIoControl()函數(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序把這個I/O請求包（IRP）設(shè)置為掛起狀態(tài)，并且設(shè)置一個取消例程。如果當前IRP隊列為空，則將這個IRP傳送給StartIo()例程；否則，將它放到IRP隊列中。設(shè)備驅(qū)動程序做完這些工作后，結(jié)束這個DeviceIoControl()的處理，于是Win32應(yīng)用程序可能不等待IRP處理完，就從DeviceIoControl()的調(diào)用中返回。通過判斷返回值，得到IRP的處理情況。如果當前IRP處于掛起狀態(tài)，則主程序先做一些其它的工作，然后調(diào)用WaitForSingleObject()或 WaitForMultipleObject()函數(shù)等待Overlapped中的事件成為有信號狀態(tài)。設(shè)備驅(qū)動程序在適當?shù)臅r候處理排隊的IRP，處理完成后，調(diào)用IoCompleteRequest()函數(shù)。該函數(shù)將Overlapped中的事件設(shè)置為有信號狀態(tài)。Win32應(yīng)用程序?qū)@個事件馬上進行響應(yīng)，退出等待狀態(tài)，并且將事件復(fù)位為無信號狀態(tài)，然后調(diào)用GetOverlappedResult()函數(shù)獲取IRP的處理結(jié)果。 5 事件方式（WDM） Win32應(yīng)用程序首先創(chuàng)建一個事件，然后將該事件句柄傳給設(shè)備驅(qū)動程序，接著創(chuàng)建一個輔助線程，等待事件的有信號狀態(tài)，自己則接著干其它事情。設(shè)備驅(qū)動程序獲得該事件的句柄后，將它轉(zhuǎn)換成能夠使用的事件指針，并且把它寄存起來，以便后面使用。當條件具備后，設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⑹录O(shè)置為有信號狀態(tài)，這樣應(yīng)用程序的輔助線程馬上知道這個消息，于是進行相應(yīng)的處理。當設(shè)備驅(qū)動程序不再使用這個事件時，應(yīng)該解除該事件的指針。 本刊網(wǎng)絡(luò)補充版（http://www.dpj.com.cn）中，介紹了各部分實現(xiàn)的部分代碼。 結(jié)語 在目前流行的Windows操作系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序是操縱硬件的最底層軟件接口。它向上提供與硬件無關(guān)的用戶接口，向下直接進行I/O、硬件中斷、DMA和內(nèi)存訪問等操作。它將應(yīng)用程序與硬件細節(jié)屏蔽開來，使軟件不依賴于硬件并且可在多個不同的平臺之間移植。本文介紹了5種設(shè)備驅(qū)動程序通知應(yīng)用程序的方法，其中前3種方法主要用于VxD中，后2種方法主要用于WDM。這5種方法都經(jīng)過實際測試。測試結(jié)果表明，它們都能夠達到設(shè)備驅(qū)動程序通知應(yīng)用程序的目的。 參考文獻 1. 歐青立.徐建波.李方敏.李仁發(fā) 虛擬設(shè)備驅(qū)動程序VxD的研究與開發(fā) [期刊論文] -計算機工程2002(3) 2. Chris Cant.孫義.馬莉波.國雪飛 Windows WDM設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)指南 2000 3. KAREN HAZZAN.孫喜明 Windows VxD與設(shè)備驅(qū)動權(quán)威指南 1999 4. Walter Oney Programming The Microsoft Windows Driver Model 1999 5. 李和平 基于DSP的 ICT圖像重建系統(tǒng)研究 [學(xué)位論文] 2002 作 者：北京航空航天大學(xué) 周正干 李和平 安振剛 來 源：單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用2003（11） |
