虛擬設備驅動程式的設計與實現

由於Windows對系統底層操作採取了屏蔽的策略，因而對使用者而言，系統變得更為安全，但這卻給眾多的硬體或者系統軟體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的核心去編寫屬於系統級的虛擬設備驅動程式。

　　Win98與Win 95裝置驅動程式的機理不盡相同，Win98不僅支援與Windows NT 5.0相容的WDM(Win32 Driver Mode)模式驅動程式，而且還支援與Win95相容的虛擬設備驅動程式VxD(Virtual Device Driver)。下面介紹了基於Windows 9x平台的虛擬環境、虛擬設備驅動程式VxD的基本原理和設計方法，並結合開發工具VToolsD給出了一個為可視電話音訊卡配套的虛擬設備驅動程式VxD的設計執行個體。

　　1．Windows 9x的虛擬環境

　　Windows 9x作為一個完整的32位多任務作業系統，它不像Window 3.x那樣依賴於MS-DOS，但為了保證軟體的相容性，Windows 9x除了支援Win16應用程式和Win32應用程式之外，還得支援MS-DOS應用程式的運行。Windows 9x是通過虛擬機器VM(Virtual Machine)環境來確保其相容和多任務特性的。

　　所謂Windows虛擬機器（通常簡稱為Windows VM）就是指執行應用程式的虛擬環境，它包括MS-DOS VM和System VM兩種虛擬機器環境。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應用程式和動態連結程式庫DLL(Dynamic Link Libraries)提供運行環境。每個虛擬機器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應用程式都運行在System VM環境下，但Win16應用程式共用同一地址空間，而Win32應用程式卻有自己獨立的地址空間。

　　在編寫應用程式時，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式VxD時卻不能這樣做，因為VxD的工作是嚮應用程式碼提供一個與硬體介面的環境，為每一個客戶虛擬機器管理虛裝置的狀態，透明地仲裁多個應用程式，同時對底層硬體進行訪問。這就是所謂虛擬化的概念。

　　VxD在虛擬機器管理器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，提供虛擬機器環境（能產生、調度、卸載VM）、負責調度多線程佔先時間片及管理虛擬記憶體等工作。VxD與VMM運行在其他任何虛擬機器之外，VxD事實上就是實現虛擬機器的軟體的一部分。

　　與大作業系統一樣，Windows也是採用層次式體繫結構。VMM和VxDs構成了Win 95的ring0級的系統核心（應用程式運行在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"為尾碼名的驅動程式，主要是指串列口的通訊程式和並行口的印表機程式。這些程式與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。

　　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式。實際上，VxD並非僅指那些虛擬化的某一具體硬體的裝置驅動程式。比如某些VxD能夠虛擬化裝置，而某些VxD作為裝置驅動程式卻並不虛擬化裝置，還有些VxD與裝置並沒有什麼關係，它僅向其他的VxD或是應用程式提供服務。

　　VxD可以隨VMM一起靜態載入，也可以根據需要動態載入或卸載。正是由於VxD與VMM之間的緊密協作，才使得VxD具有了應用程式所不具備的能力，諸如可以不受限制地訪問硬體裝置、任意查看作業系統資料結構（如描述符表、頁表等）、訪問任何記憶體地區、捕獲軟體中斷、捕獲I/O連接埠操作和記憶體訪問等，甚至還可以截取硬體中斷。

　　儘管VxD使用32位平面儲存模式(flat memory model)，但它的代碼和資料仍使用分段管理，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)，每種類型又有程式碼片段和資料區段之分，所以VxD共有12個段。實模式程式碼片段和資料區段為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。靜態載入的VxD此時可以查看Windows啟動前的實模式環境，決定是否繼續載入，並通知VMM。載入完畢後，VMM進入保護模式並執行保護模式初始化代碼，同樣將執行結果再通知VMM。初始化完成後，“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”段允許虛擬儲存管理器(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的主進入點、硬體中斷處理函數、所訪問的資料以及能被另一個VxD中斷處理函數調用的非同步服務。“靜態”段僅用於可以動態載入的VxD，當VxD卸載後，靜態程式碼片段和資料區段都保留在記憶體中。“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的裝置描述符塊DDB(Device Descriptor Block)來識別的。DDB向VMM提供了VxD的主進入點，還嚮應用程式和其他的VxD提供了進入點。VMM利用這個主進入點將VM及Windows自身的狀態通知給VxD，然後VxD通過相應的工作來響應這些事件。由於VxD不僅僅服務於一個物理裝置（比如多個串口）或僅與一個VM發生聯絡，所以VxD需要產生自己支援的資料結構(Supporting Data Structures)來儲存每一個裝置、每一個VM的配置和狀態資訊。VxD用一個或多個裝置上下文結構來儲存裝置資訊，如I/O連接埠基地址、中斷向量等，VxD將自己的每個VM的狀態資訊儲存在VMM的VM控制塊中。

　　VMM提供的服務包括：事件服務、記憶體管理服務、相容執行和保護模式執行的服務、登入表格服務、發送器服務、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、組態管理程式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。首先是作業系統的知識，如地址空間、執行內容、資源加鎖、處理序間通訊和非同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；最後，還必須熟悉VMM提供的各類服務和介面，熟悉Windows其他的系統VxD。

　　3．開發工具VToolsD簡介

　　VToolsD是專門用於開發VxD程式的一種工具軟體，它包括VxD架構代碼產生器QuickVxD、C運行庫、VMM/VxD服務庫、VxD的C++類庫、VxDLoad和VxDView等工具 + 生產力以及大量的C、C++常式。由VC++、BC++的32位編譯器編譯產生的VxD程式可以脫離VToolsD環境運行。

　　利用QuickVxD可以方便、快捷地產生VxD的架構，即產生尾碼名為h、cpp和mak的三個檔案。源檔案包含了運行VxD的基本組件，其中包含控制訊息處理、API進入點、以及VxD服務等函數架構，並且還定義了標誌，設定了編譯參數，聲明了類，然後在C++環境下，向產生的各個處理函數體內添加自己的代碼，最後使用編譯器NMAKE產生標準的VxD程式。

　　由於VxD運行在ring0級，所以偵錯工具相當困難。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，它支援裝置訪問體繫結構DAA(Device Access Architecture)，所編寫的程式碼將可以在所有Windows平台（包括Win 95、Win 98以及Windows NT）上共用。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物件導向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程式設計執行個體

　　我在開發可視電話音訊卡的設計過程中，用VToolsD 2.03、VC++ 5.0為自製的PC/XT匯流排擴充卡開發了虛擬設備驅動程式Audcard.vxd。該卡每20ms申請一次中斷，中斷由應用程式動態載入系統的Audcard.vxd響應並加以處理。中斷服務程式ISR(Interrupt Service Routine)結束後，調用函數Shell_PostMessage( )嚮應用程式視窗發送自訂訊息。應用程式接受訊息後，再通過函數DeviceIoControl( )與VxD的介面函數OnW32DeviceIoControl( )互傳緩衝區資料。程式結束即可動態卸載VxD。表示在Win 95下VxD對硬體中斷的處理過程。

 

Win95下硬體中斷的處理過程

　　當中斷髮生時，處理器轉換為ring0級保護模式。Windows系統並不像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中的程式。該程式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程式化插斷控制器VPICD(Virtual Programmable Interrupt Controller Device)，VPICD實際上是一個重要的VxD。VPICD再將其交給另一個註冊了該中斷的VxD（如Audcard.vxd）來處理。VxD程式是通過調用VPICD服務VPICD_Virtualize_IRQ來註冊中斷的。

　　虛擬設備驅動程式Audcard.vxd的部分原始碼Audcard.h和Audcard.cpp在網上，網址為：www.pccomputing.com.cn。此應用程式使用了下列函數：CreateFile()動態載入VxD、CloseHandle()並動態卸載VxD、PreTranslateMessage()截獲訊息、DeviceIoControl()與VxD互傳緩衝區資料。虛擬設備驅動程式Audcard.vxd經調試後工作正常，未發生過任何遺失資料或死機的現象。

　　下面是虛擬設備驅動程式Audcard.vxd的部分原始碼Audcard.h和Audcard.cpp，限於篇幅，由QuickVxD自動產生的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　　//自訂訊息 　　#undef DEVICE_MAIN 　　AudcardVM::AudcardVM(VMHANDLE hVM) : VVirtualMachine(hVM) {} 　　AudcardThread::AudcardThread(THREADHANDLE hThread) : VThread(hThread) {} 　　BOOL AudcardDevice::OnSysDynamicDeviceInit() //動態載入時初始化 　　{ 　　......//硬體初始化 　　pMyIRQ=new MyHwInt(); 　　if(pMyIRQ&&pMyIRQ-$#@62;hook()) //掛接中斷 　　{ 　　pMyIRQ-$#@62;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應用程式的介面函數 　　{ 　　...... 　　} 　　VOID MyHwInt::OnHardwareInt(VMHANDLE hVM) 　　{ 　　...... // 中斷處理 　　SHELL_PostMessage(AppWnd,WM_USER_POSTVXD ,0,0,0,NULL); 　　//嚮應用程式視窗發送訊息 　　sendPhysicalEOI(); //通知VPICD中斷結束 　　}