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陳國友
由于Windows對系統底層操作采取了屏蔽的策略，因而對用戶而言，系統變得更為安全，但這卻給眾多的硬件或者系統軟件開發人員帶來了不小的困難，因為只要應用中涉及到底層的操作，開發人員就不得不深入到Windows的內核去編寫屬于系統級的虛擬設備驅動程序。Win 98與Win 95設備驅動程序的機理不盡相同，Win 98不僅支持與Windows NT 5.0兼容的WDM(Win32 Driver Mode)模式驅動程序，而且還支持與Win 95兼容的虛擬設備驅動程序VxD(Virtual Device Driver)。下面介紹了基于Windows 9x平臺的虛擬環境、虛擬設備驅動程序VxD的基本原理和設計方法，并結合開發工具VToolsD給出了一個為可視電話音頻卡配套的虛擬設備驅動程序VxD的設計實例。
1．Windows 9x的虛擬環境
Windows 9x作為一個完整的32位多任務操作系統，它不像Window 3.x那樣依賴于MS-DOS，但為了保證軟件的兼容性，Windows 9x除了支持Win16應用程序和Win32應用程序之外，還得支持MS-DOS應用程序的運行。Windows 9x是通過虛擬機VM(Virtual Machine)環境來確保其兼容和多任務特性的。
所謂Windows虛擬機（通常簡稱為Windows VM）就是指執行應用程序的虛擬環境，它包括MS-DOS VM和System VM兩種虛擬機環境。在每一個MS-DOS VM中都只運行一個MS-DOS進程，而System VM能為所有的Windows應用程序和動態鏈接庫DLL(Dynamic Link Libraries)提供運行環境。每個虛擬機都有獨立的地址空間、寄存器狀態、堆棧、局部描述符表、中斷表狀態和執行優先權。雖然Win16、Win32應用程序都運行在System VM環境下，但Win16應用程序共享同一地址空間，而Win32應用程序卻有自己獨立的地址空間。
在編寫應用程序時，編程人員經常忽略虛擬環境和實環境之間的差異，一般認為虛擬環境也就是實環境。但是，在編寫虛擬設備驅動程序VxD時卻不能這樣做，因為VxD的工作是向應用程序代碼提供一個與硬件接口的環境，為每一個客戶虛擬機管理虛設備的狀態，透明地仲裁多個應用程序，同時對底層硬件進行訪問。這就是所謂虛擬化的概念。
VxD在虛擬機管理器VMM(Virtual Machine Manager)的監控下運行，而VMM實際上是一個特殊的VxD。VMM執行與系統資源有關的工作，提供虛擬機環境（能產生、調度、卸載VM）、負責調度多線程占先時間片及管理虛擬內存等工作。VxD與VMM運行在其他任何虛擬機之外，VxD事實上就是實現虛擬機的軟件的一部分。
與大多數操作系統一樣，Windows也是采用層次式體系結構。VMM和VxDs構成了Win 95的ring0級的系統核心（應用程序運行在ring3級，ring1、ring2級未被使用），具有系統的最高優先權。Windows還提供一些以"drv"為后綴名的驅動程序，主要是指串行口的通信程序和并行口的打印機程序。這些程序與VxD不同，它們是運行在ring3級上的。圖1可以使你更好地理解Windows的虛擬環境。
圖
2．深入理解VMM和VxD
如前所述，VxD是Virtual Device Driver的縮寫，但有人將它理解為虛擬任何驅動程序。實際上，VxD并非僅指那些虛擬化的某一具體硬件的設備驅動程序。比如某些VxD能夠虛擬化設備，而某些VxD作為設備驅動程序卻并不虛擬化設備，還有些VxD與設備并沒有什么關系，它僅向其他的VxD或是應用程序提供服務。
VxD可以隨VMM一起靜態加載，也可以根據需要動態加載或卸載。正是由于VxD與VMM之間的緊密協作，才使得VxD具有了應用程序所不具備的能力，諸如可以不受限制地訪問硬件設備、任意查看操作系統數據結構（如描述符表、頁表等）、訪問任何內存區域、捕獲軟件中斷、捕獲I/O端口操作和內存訪問等，甚至還可以截取硬件中斷。
盡管VxD使用32位平面存儲模式(flat memory model)，但它的代碼和數據仍使用分段管理，段有六種類型，即實模式初始化、保護模式初始化、可分頁、不可分頁、靜態和只調試(debug only)，每種類型又有代碼段和數據段之分，所以VxD共有12個段。實模式代碼段和數據段為16位（分段模式），其他段則是32位（平面模式）。“實模式初始化”段包含了在Windows初始化過程的最初階段VMM變為保護模式之前要執行的代碼。靜態加載的VxD此時可以查看Windows啟動前的實模式環境，決定是否繼續加載，并通知VMM。加載完畢后，VMM進入保護模式并執行保護模式初始化代碼，同樣將執行結果再通知VMM。初始化完成后，“實模式初始化”段和“保護模式初始化”段即被遺棄。VxD的大部分代碼都在其他的某一段中，“可分頁”段允許虛擬存儲管理器(Virtual Memory Manager)進行分頁管理，大多數的VxD代碼都應當在“可分頁”段。“不可分頁”段的內容主要包括：VxD的主入口點、硬件中斷處理函數、所訪問的數據以及能被另一個VxD中斷處理函數調用的異步服務。“靜態”段僅用于可以動態加載的VxD，當VxD卸載后，靜態代碼段和數據段都保留在內存中。“只調試”段只是VMM在Soft-ICE for Win 95等調試環境下才將其載入。
VMM是通過VxD的設備描述符塊DDB(Device Descriptor Block)來識別的。DDB向VMM提供了VxD的主入口點，還向應用程序和其他的VxD提供了入口點。VMM利用這個主入口點將VM及Windows自身的狀態通知給VxD，然后VxD通過相應的工作來響應這些事件。由于VxD不僅僅服務于一個物理設備（比如多個串口）或僅與一個VM發生聯系，所以VxD需要產生自己支持的數據結構(Supporting Data Structures)來保存每一個設備、每一個VM的配置和狀態信息。VxD用一個或多個設備上下文結構來保存設備信息，如I/O端口基地址、中斷向量等，VxD將自己的每個VM的狀態信息保存在VMM的VM控制塊中。
VMM提供的服務包括：事件服務、內存管理服務、兼容執行和保護模式執行的服務、登錄表服務、調度程序服務、同步服務、調試服務、I/O捕獲服務、處理錯誤和中斷服務、VM中斷和回調服務、配置管理程序服務以及其他雜項服務。
以上內容僅涉及到VxD設計的一小部分，作為VxD的開發人員必須掌握更多的知識。首先是操作系統的知識，如地址空間、執行上下文、資源加鎖、進程間通信和異步事件處理等方面的知識；其次，對Intel處理器應有較深入的理解，包括寄存器、機器指令集、保護機制、分頁機制，以及虛擬8086模式；最后，還必須熟悉VMM提供的各類服務和接口，熟悉Windows其他的系統VxD。
3．開發工具VToolsD簡介
VToolsD是專門用于開發VxD程序的一種工具軟件，它包括VxD框架代碼生成器QuickVxD、C運行庫、VMM/VxD服務庫、VxD的C++類庫、VxDLoad和VxDView等實用工具以及大量的C、C++例程。由VC++、BC++的32位編譯器編譯生成的VxD程序可以脫離VToolsD環境運行。
利用QuickVxD可以方便、快捷地生成VxD的框架，即生成后綴名為h、cpp和mak的三個文件。源文件包含了運行VxD的基本組件，其中包含控制消息處理、API入口點、以及VxD服務等函數框架，并且還定義了標志，設置了編譯參數，聲明了類，然后在C++環境下，向生成的各個處理函數體內添加自己的代碼，最后使用編譯器NMAKE生成標準的VxD程序。
由于VxD運行在ring0級，所以調試程序相當困難。我使用的調試工具是Soft-ICE for Win 95。
目前VToolsD的最新版本為3.0，它支持設備訪問體系結構DAA(Device Access Architecture)，所編寫的程序代碼將可以在所有Windows平臺（包括Win 95、Win 98以及Windows NT）上共享。當然也可以使用Microsoft公司的DDK(Device Developer Kit)來開發VxD，但DDK不能像VToolsD那樣通過屏蔽系統及VxD的底層技術細節提供豐富的C運行庫和C++類庫，而是讓開發人員充分享用面向對象編程方法的方便與快捷，因此僅就該點而言，使用DDK是不方便的。
4．VxD程序設計實例
我在開發可視電話音頻卡的設計過程中，用VToolsD 2.03、VC++ 5.0為自制的PC/XT總線擴展卡開發了虛擬設備驅動程序Audcard.vxd。該卡每20ms申請一次中斷，中斷由應用程序動態載入系統的Audcard.vxd響應并加以處理。中斷服務程序ISR(Interrupt Service Routine)結束后，調用函數Shell_PostMessage( )向應用程序窗口發送自定義消息。應用程序接受消息后，再通過函數DeviceIoControl( )與VxD的接口函數OnW32DeviceIoControl( )互傳緩沖區數據。程序結束即可動態卸載VxD。下圖表示在Win 95下VxD對硬件中斷的處理過程。
圖Win95下硬件中斷的處理過程
當中斷發生時，處理器轉換為ring0級保護模式。Windows系統并不像DOS那樣通過中斷描述符表IDT(Interrupt Descriptor Table)直接指向中斷處理過程，而是由IDT入口指向VMM中的程序。該程序將判斷是否為中斷調用，如果是，則把中斷控制權交給虛擬可編程中斷控制器VPICD(Virtual Programmable Interrupt Controller Device)，VPICD實際上是一個重要的VxD。VPICD再將其交給另一個注冊了該中斷的VxD（如Audcard.vxd）來處理。VxD程序是通過調用VPICD服務VPICD_Virtualize_IRQ來注冊中斷的。
虛擬設備驅動程序Audcard.vxd的部分源代碼Audcard.h和Audcard.cpp在網上，網址為：www.pccomputing.com.cn。此應用程序使用了下列函數：CreateFile()動態加載VxD、CloseHandle()并動態卸載VxD、PreTranslateMessage()截獲消息、DeviceIoControl()與VxD互傳緩沖區數據。虛擬設備驅動程序Audcard.vxd經調試后工作正常，未發生過任何丟失數據或死機的現象。
下面是虛擬設備驅動程序Audcard.vxd的部分源代碼Audcard.h和Audcard.cpp，限于篇幅，由QuickVxD自動生成的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 //定義5號中斷
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 //自定義消息
#undef DEVICE_MAIN
AudcardVM::AudcardVM(VMHANDLE hVM) : VVirtualMachine(hVM) {}
AudcardThread::AudcardThread(THREADHANDLE hThread) : VThread(hThread) {}
BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceInit() //動態加載時初始化
{
......//硬件初始化
pMyIRQ=new MyHwInt();
if(pMyIRQ&&pMyIRQ->hook()) //掛接中斷
{
pMyIRQ->physicalUnmask(); //允許中斷
return TRUE;
}
else return FALSE;
}
BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceExit()
//動態卸載過程
{
delete pMyIRQ;
return TRUE;
}
DWORD AudcardDevice::OnW32DeviceIoControl(PIOCTLPARAMS pDIOCParams)
//與Win32應用程序的接口函數
{
......
}
VOID MyHwInt::OnHardwareInt(VMHANDLE hVM)
{
...... // 中斷處理
SHELL_PostMessage(AppWnd,WM_USER_POSTVXD ,0,0,0,NULL);
//向應用程序窗口發送消息
sendPhysicalEOI(); //通知VPICD中斷結束
}
（作者地址：南京通信工程學院98信箱 210016 收稿日期：1998.12.03）
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