驱动程序开发

摘要
第一章 绪论
驱动程序实际上可以理解为是一系列控制硬件设备的函数。在DOS系统中，一个驱动程序可能是一个连到应用程序.EXE中的一个模块或者是与应用程序分开的一个独立部分；在Widows系统中，封装驱动程序的方法是制作一个DLL或VxD。在早期，由于我们一般涉及的与计算机相关的硬件设备都是标准设备，它们的驱动程序是由厂家或专门的程序开发人员提供并加以封装，用户只需了解与驱动程序相连的Windows应用程序接口（API），而无需知道其内部运行机制。但是如果硬件是非标准设备，我们必须针对该特定硬件自己来设计Windows环境下的设备驱动程序。
我所面对的硬件是一块超声波探伤卡，它集成在一块PCI插卡上，桥接芯片采用了PCI2040，因为它可以和DSP无缝连接。我要做的工作是首先利用主机通过并口启动模拟采样部分，当采样数据放大后进入A/D变换后存入储存器，在数据存储器中存满一帧时，硬件向主机发中断，主机响应中断后通过PCI2040芯片读出存放在数据存储器中的采样数据，然后进行后续处理并将结果显示于屏幕。
我编写的应用程序的软件平台是Window95/98，采样的工具是VisualC++6.0（简称VC++），因为它是一种面向对象的编程语言，具有良好的交换性，可以根据用户对界面上的控件或菜单操作作出相应的处理，而且它可以自动根据要求生成框架，我们要做的只是对空的函数框架进行填充。由于应用程序运行在Ring3级，它不能对硬件进行直接访问，也不会响应硬件中断，必须通过驱动程序来响应中断以及访问硬件。该硬件显然不是Windows标准组件，系统不会提供相应的VxD驱动程序，因此必须自己编写PCI2040的硬件安装信息文件和驱动程序。值得一提的是在通过并口与硬件通信时理论上也得写VxD但是由于并口是Windows标准组件，Windows已经封装了一些常用的API函数（如_inp()和_outp()等函数），可以在应用程序中直接使用，而且像打印机等利用并口传输数据的硬件的驱动程序已经被认为不属于虚拟设备驱动程序了。
在本论文安排上首先介绍驱动程序的产生背景、实现原理和开发工具，然后介绍PCI总线及PCI2040芯片，最后说明我的驱动程序以及相应的应用程序。
第二章 Windows环境下的驱动程序
在DOS操作系统时代，对于一个应用程序而言它总认为自己是唯一运行的程序，因此常常可以直接访问硬件，独占所有的系统内存以及系统运行时间，当然也就不需要设备驱动程序。但是到了Windows时代，DOS应用程序并不是唯一运行的程序，系统中同时可能有若干个应用程序在运行，这就使得系统不可能让它随意的直接访问硬件，否则就会引起混乱导致系统崩溃。为了解决这个问题，人们提出了将系统的资源虚拟化，让应用程序运行在一个虚拟的环境中的虚拟机（VM）上，而管理程序和驱动程序运行在实际机器上（Ring0级），由它们来处理针对硬件的操作。
2.1虚拟机（VM）
虚拟资源是由系统产生的假象，它是硬件（甚至是软件）资源的仿真，当系统虚拟了所有或者几乎所有的程序可以访问的资源时，它就创造了一个“虚拟机”（VM）。概括起来，Windows的虚拟机完全透明地仿真了以下地资源和性能：
 可访问的内存空间；
 I/O操作；
 中断操作；
 外围设备（显示器、键盘等）；
虚拟机的管理主要由虚拟机管理器(VMM)完成。VMM利用系统的硬件创造了几个相互独立的虚拟机，每个虚拟机都有自己的虚拟环境，而且每个虚拟环境可能与物理环境根本不同。让所有的Windows应用程序(Win16应用程序和Win32应用程序)运行在一个VM上，称为系统VM；而每一个DOS应用程序都分别运行在各自的一个VM上，这样便解决了DOS和Windows应用程序的兼容问题。
2.2处理器运行模式及各种程序优先级
为了创建和维护虚拟机，VMM开发了80386以及以后的兼容处理器的特殊性能。这些处理器有三种运行模式：实模式、保护模式和V86模式，它们决定了处理器所能寻址的地址空间，如何实现逻辑地址到物理地址的转换以及如何保护对内存和I/O端口的访问。Windows95/98利用了其中的保护模式和V86模式两种模式，以下各项也是针对这两种模式而言。
Windows95/98执行环境支持四种不同的基本模式： 管理程序、Win32应用程序、Win16应用程序和DOS应用程序。
其中管理程序在Ring0级（最高级）中运行，能够访问和控制实际硬件环境，也就是说它们在真正的计算机上运行，而不是在虚拟机上运行，在所有构成Windows的组件中，只有VMM和VxD在管理环境中执行。
Windows应用程序在Ring3级（最低级）的保护模式上运行，它们不能直接访问硬件，一旦执行一个对硬件的操作就会引起一个异常事件，这时处理器切换到Ring0级，并且将控制权交给相应的控制器。所有Windows应用程序分享一个系统虚拟机。
每个DOS应用程序运行在各自的V86虚拟机（类似于系统虚拟机）上，标注为Ring3级（最低级），它访问的硬件资源和中断也被隐藏和虚拟了。
2．3如何实现虚拟机
当在虚拟机中执行程序时，Windows必须能够捕获并透明的“代替”以下功能：
 对I/O端口查询
 对一个内存映射的外围设备查询。
 可能导致传送到虚拟机之外的操作，如一个异常时间或中断。
2.3.1捕获I/O操作
不论保护模式还是V86模式，操作系统都可以捕获输入和输出指令来防止应用程序直接访问I/O映射的设备。Windows98/95使用I/O优先级（IOPL）和I/O允许映射（IOPM）（‘0’表示拒绝，‘1’表示允许）来控制VM访问I/O地址。
在保护模式中，每个代码段都有一个相关的优先级描述器，它存储在描述器列表中。当在保护模式中执行一个I/O指令时，处理器将段的IOPL和当前代码段的优先级（CPL）比较，如果CPL IOPL且IOPM=0,处理器才执行指令，否则产生一个异常事件。在V86模式中，处理器只参照IOPM，与IOPL无关。
Windows和它的标准组件VxD可以捕获PC机上的所有标准I/O设备，由于我们使用的不是标准硬件，因此要自己编写VxD，流程也相似先向VMM申请捕获我们的硬件端口的服务，安装回调处理器，当VM访问该端口时产生异常进入我们的回调处理中，由我们自己编写的函数进行处理。
2.3.2捕获内存操作
Windows主要根据页错误机制实现对存储器映射设备访问的虚拟化。要捕获对某个设备内存的访问，设备VxD会将页表中对应于为了内存的页标注为“不可用”。当在虚拟环境中运行的程序试图访问这个页时，会产生一个错误。VMM的异常处理器会调用已注册的设备VxD的页错误处理器进行相关处理。
2.3.3捕获中断和异常事件
Windows必须能够捕获一些具有优先级的指令，因为它们可能会绕过处理器的保护特性或干扰虚拟机的完整性。如影响处理器中断标志指令（CLI,STI,POPF,IRET等）,调入描述表的指令（LLDT,LGDT,LIDT等）。解决的方法是在Ring3层上一旦执行一个有优先级的指令，就会引起一个异常事件。这时处理器就会切换到Ring0层并将控制交给相应的控制器。
2.4各种驱动程序比较
 VxD
VxD是虚拟设备驱动程序，是系统用于对各种硬件资源识别,管理,维护运作的扩展。VXD和VMM(虚拟机管理器)一起合作,维持着系统的运作。VxD模式从WIN3X时代就开始了.一直到了WIN98还一直在MS的WIN系列操作系统中起主导作用。VxD运作在INTEL系列CPU保护模式下的RING0，拥有对硬件的最高控制权。
 KMD
KMD是Kernel Mode Driver的缩写，它是WindowsNT下提出的管理，维护硬件运作的驱动程序模式。该DRIVER运行于WindowsNT的KERNEL模式下（类似于RING0），但是,一个KMD的运作环境在不同的时候是根本不同的。DRIVER收到设备请求时的运行环境很可能和设备请求实际操作的运行环境根本不同，因此在WindowsNT下DRIVER的运作也受到WindowsNT本身的许多限制。
 WDM
WDM是Win32 Driver Model的简写，它可以和Windows2000兼容，乃微软力推的全新的驱动程序模式，它实际也可以理解为一个即插即用（PNP）的KMD。但是由于Windows98对WDM的支持有限，而且WMD的代码很长，能用VxD时一般不采WDM，因此目前WDM的实际应用还不多，但随着Windows2000/NT的普及WDM必将成为主流的驱动程序模式。
2..3驱动程序的开发工具
 DDK
开发虚拟设备驱动程序(VxD)的常规方法是使用Microsoft出品的设备驱动程序开发工具包DDK(Device Developer Kit)。它有Windows98 DDK和Windows2000 DDK两个版本。前者能够开发Windows95/98/Me/NT下的VxD、KMD和WDM驱动程序，后者可以开发Windows98/Me/NT/2000下的KMD和WDM驱动程序。
它要求设计者必须对Windows的体系结构、设备驱动程序的结构、虚拟机管理器（VMM）以及Intel CPU体系结构有深入的了解，而且需要保护模式的汇编语言编程经验。
因此，在实际中DDK一般不常被人使用，取而代之的是下面二种开发工具。
 VtoolsD
Vireo公司出色的VtoolsD由可视的VxD代码生成器QuickVxD、C运行库、VMM/VxD服务库、C++类库以及VxD的装入程序等组成。
利用QuickVxD生成的框架程序和经充分测试过的C运行库或C++类库可以绕过DDK用C或C++来编制驱动程序，这就大大地简化了开发的难度，提高了可靠性。框架程序可以直接在Visual C++集成开发环境中用NMAKE编译为VxD。
由于利用VtoolsD主要针对Windows85/98驱动程序编程，写出的VxD程序相对比较简洁，而且它容易上手，因此我在实际编写VxD设备驱动时使用了该工具。
 WinDriver
WinDriver是美国KRFTech公司出品的用于编写驱动程序的另一种工具包。它包括1个类似于Q uickVxD的代码生成器WinDriver Wizard、1个WinDriver发行包、2个公用程序。
　　与VToolsD一样，WinDriver工具包的优点在于可以使编程人员用C或C++语言来编写设备驱动 程序，而不是将大量精力放在编写那些复杂的、难于调试的内核模式代码。
　 以上介绍的3种工具各有优点。DDK功能强大，编程灵活，适用范围广，可应用于各类硬件驱动程序的编写，但对编程人员的要求较高,编程难度较大。VToolsD主要工作环境是在Windows 98/95下，它具有较强的开发能力和较高的开发效率,是编程人员常用的工具。WinDriver的适用面比前二者窄，它主要针对ISA/PCI插卡，而对其他类硬件的技术支持较少，但它编写的程序可同时工作在Windows95/98/NT操作系统
第三章VxD虚拟设备驱动程序
VxD是虚拟设备驱动程序（Virtual X Driver）的缩写，中间的x表示某一类设备。如VKD.VXD表示键盘的驱动程序，当然一个VxD并非一定对应一个硬件设备，有的VxD只是为其他的VxD或应用程序服务，有的VxD也可能只是对应一个不存在的硬件。但是所有的VxD都有一个共同的特点，即“到任何地方做任何事情”。它们可以访问内存地址，访问硬件端口，捕获其他程序对内存和端口的访问，甚至可以截获硬件中断，VxD模式从Windows3.1时代就开始了，一直到Windows95/98/ME它还一直在微软的操作系统中起主导作用。
3.1VxD的开发工具
在编写VxD时我采用了Vireo公司的VtoolsD工具，它由QuickVxD，DebugMonitor及INF Edit等组成。
QuickVxD工具（见图3－2）可以快速生成VxD的代码框架，开发者只需填写几个选项然后在生成的框架中再增加自己的代码，编程效率比较高而且程序比较简洁，QuickVxD的使用在下面将详细介绍。
DebugMonitor工具（见图3－1）具有两个功能，一个是用来观察VxD在debug状态下的输出流，另一个是可以强制执行和终止VxD的运行。
图3－1
INF Edit工具主要是用来编写安装硬件信息的.inf文件，当CMOS检测到新硬件时它会按照安装信息来安装硬件。当然我们可以使用任何一种文本编辑器来编写安装文件，只要最后以inf作为后缀名就行了，但是由INF文件中的节是分层排列的且比较多，使得直接写很困难，如果使用INF Edit工具就比较简单，只需安照它的类目一一填写即可自动生成所需文件。
3.2VxD的创建
Windows支持静态安装和动态安装VxD。静态安装是在Windows初始化时安装VxD并一直保存在Windows中，动态安装的VxD是在一个应用程序或其他VxD的控制下安装和卸载。
如果选择静态安装，由于我的应用程序并不是一直在执行，而VxD始终占用着一定的内存资源以及宝贵的中断口，这样导致了资源浪费。因此我使用了动态安装，只有当应用程序运行时，通过CreatFile（）函数动态打开VxD，申请内存资源，挂钩中断口，然后响应中断进行数据采集、处理和显示，当用户关闭应用程序时，它首先通过CloseHandle（）关闭VxD，VxD在中止前释放所有先前它申请的资源。
在使用QuickVxD开发VxD只需在Dynamically Loadable选项中打勾就行了(图3－1),其中Device Name是指我们的VxD的设备名，每个VxD都有设备名这儿是指PCI2040芯

图3－2
片，Device ID是用来标识设备，只有当该VxD需要提供对其他VxD的调用入口时才用，且不能任意取应该由Microsoft公司提供，一般情况直接用UNDEFINED_DEVICE_ID就行了，Device Initialization Order确定Windows对VxD的安装顺序，比如你想要你的VxD先于VDD初始化就应该设置为VDD_INIT_ORDER-1,一般情况也使用默认值。
3.3VxD的事件通知
VMM提供了大量的消息与VxD进行通信，对于编程人员来讲要做的工作就是写消息处理程序。消息数目总共将近40个(详见附录a)，但是一般情况我们只使用其中的很少一部分，限于篇幅下面仅详细介绍PCI2040芯片的驱动程序用到的几个消息。
 SYS_DYNAMIC_DEVICE_INIT
通知可动态加载的VxD加载并初始化，在其中作一些初始化工作，如设备的初始化，挂钩中断口和安装硬件中断处理函数。当该消息处理函数返回值为真时，表示初始化成功，否则初始化失败，系统将VxD从内存中移去。
 SYS_DYNAMIC_DEVICE_EXIT
通知可动态卸载的VxD从内存中移去，并且释放它先前申请的资源。当处理函数返回值为真时表示VxD安全卸载，否则将阻止系统卸载VxD。
 PNP_NEW_DEVNODE
通知VxD设备结点已经装载了硬件，此时VxD可以去取配置管理器分给它的配置了。
 W32_DEVICEIOCONTROL
该消息主要用来进行Win32程序和VxD的通信，在第五章中有详细介绍。
在QuickVxd中提供了大部分VxD控制消息，我们只需在想要的消息上打勾就可以在生成的驱动程序框架中包含该消息。Windows95 Control Message是指Windows95支持的
图2－2

 

消息（图2－2），而Control Message是指Windows3.1和Windows95都支持的消息。
中。
3.4VxD访问硬件设备
计算机的硬件可以被定位于I/O空间和内存空间，这两种空间是完全独立的而且I/O地址空间比内存空间小的多，对于80386后的处理器而言前者只有64KB而后者有4GB。映射到I/O地址空间的硬件设备只能通过专门的I/O指令如IN、OUT命令（C语言中为inp和outp）来访问。映射到内存空间范围的硬件可以象访问内存一样进行访问，一般使用MOV、ADD、OR等指令（C语言中则通过指针来访问）。
在实际访问过程中VxD访问I/O映射硬件可以直接使用I/O指令访问，但对于内存映射硬件则复杂的多。因为尽管VxD运行在Ring0级，但它所见的是平面内存，只能用线性地址，因此在每次访问一个硬件前必须先配置页表，保证设备的物理地址与一个线性地址相联系，而这个线性地址可以作为一个指针来由我们进行内存访问，就好像我们在直接对硬件操作一样。由于我们的PCI插卡是动态配置的内存映射设备，它每次分配的物理地址可能会改变的，因此在进行地址转换时采用的也是动态转换。
3.5VxD处理硬件中断
在Windows环境下，将所有的IDT（中断描述符表）指向VMM的一个例程，由VMM来确定它是做为异常事件处理还是中断的结果被调用。VMM自己只管理异常事件，所有的中断由VPICD (虚拟可编程中断处理器)处理。如果一个VxD为中断进行了注册，VPICD就将这个中断交给它处理，否则VPICD将中断交给VM由它来处理。
VxD通过调用VPICD的服务VPICD_Virtualize_IRQ()来为硬件中断注册 ，并将会调例程的地址交给VPICD。一旦VxD进行了注册，它就可以处理硬件中断。
2..3VxD的其它开发工具
 DDK
DDK(Device Developer Kit)是专业软件开发人员常用的Microsoft公司出品的设备驱动程序开发工具包。它有Windows98 DDK和Windows2000 DDK两个版本。前者能够开发Windows95/98/Me/NT下的VxD、KMD和WDM驱动程序，后者可以开发Windows98/Me/NT/2000下的KMD和WDM驱动程序。
DDK虽然功能强大，但它要求设计者必须对Windows的体系结构、设备驱动程序的结构、虚拟机管理器（VMM）以及Intel CPU体系结构有深入的了解，而且需要保护模式的汇编语言编程经验， 因此，在实际中DDK一般不常被人使用。
 WinDriver
WinDriver是美国KRFTech公司出品的用于编写驱动程序的另一种工具包。它包括1个类似于QuickVxD的代码生成器WinDriver Wizard、1个WinDriver发行包、2个公用程序。
　　与VToolsD一样，WinDriver工具包的优点在于可以使编程人员用C或C++语言来编写设备驱动程序，而不是将大量精力放在编写那些复杂的、难于调试的内核模式代码。
以上介绍的几种工具各有优点。DDK功能强大，编程灵活，适用范围广，可应用于各类硬件驱动程序的编写，但对编程人员的要求较高,编程难度较大。VToolsD主要工作环境是在Windows 98/95下，它具有较强的开发能力和较高的开发效率,是编程人员常用的工具。WinDriver的适用面比前二者窄，它主要针对ISA/PCI插卡，而对其他类硬件的技术支持较少，但它编写的程序可同时工作在Windows95/98/NT操作系统。
第四章PCI2040芯片驱动程序的开发
PCI（peripheral component interconnect）总线主要为Pentium微处理器的开发使用而设计的，它定义了32位数据总线，且可扩展为64位，使用33MHz时钟频率，最大数据传输率为132～264Mb/s,支持无限读写猝发操作，支持即插即用，支持并发工作方式，即多组外围设备可与CPU并发工作。PCI总线以其优良性能和适应性已成为Pentium以上微机的主流总线。要开发基于PCI接口的设备就需要选择PCI总线接口芯片，目前常用的有S5933,AN3042,PLX9030等，但是它们不便于和DSP连接。
4．1 PCI2040控制芯片
TI公司推出的PCI2040 PCI桥控制器（内部结构如图4－1）可以很方便的通过主机接口实现多达四片C54x或C6x系列DSP与PCI总线的连接。同时它提供了两种数据传输方式：HPI方式和GPBUS总线传输方式，其中GPBUS总线传输方式比较简单但是传输的速度有所限制，因此我们采用了HPI传输方式。在HPI方式下，主机可以通过三个HPI寄存器实现对DSP片内DRAM的访问。这三个寄存器分别是：
（1）HPI地址寄存器（HPIA）：由主机直接访问。寄存器中保存了当前要访问的DSP片内存储器地址。
（2）HPI数据寄存器（HPID）：由主机对其直接访问。如果当前操作是读，则将数据从HPIA当前所指向的存储器中读入该寄存器；如果当前操作是写，则将该寄存器内容写入HPIA当前所指向的存储器中。当进行较大的数据块读写操作时，可以通过地址自增方式对HPID进行读写。
（3）HPI控制寄存器（HPIC）：被主机和C54x直接访问。它映象在C54x数据存储器的地址002ch处，该寄存器中保存了HPI的控制和状态位。在进行第一个数据或地址寄存器操作前必须先初始化HPIC的BOB位（若为零表示传输的第一个字节是高字节，否则表示传输的第一个字节是低字节）。这是因为主机接口总是传送8位字节，而HPIC寄存器（通常是主机首先要寻址的寄存器）又是一个16位的寄存器，在主机这边就以相同内容的高字节与低字节来管理HPIC寄存器。
图4－1
PCI总线规范要求任何PCI设备必须提供256字节的配置空间，它用来实现无需用户干预的安装、配置和引导；完全的设备再定位，由与设备无关的软件进行系统地址映射。
PCI2040的配置空间如下：

图4－2
其中设备ID用以标识特定的设备，具体的代码由供应商来分配；供应商ID用以表明设备的制造者，这二者是识别PCI设备的唯一标识。对于PCI2040来讲，当读Vendor－device ID时，返回值为AC60104C。
4.3 即插即用体系
即插即用（PnP）是微软公司为了使新硬件设备的安装和配置更加容易而采取的一种策略。PnP设备能够自身识别，自动提出资源需求，并且可以在运行时接收资源分配，较新类型的扩展总线如PCI、EISE、PCMCIA等，其任一设备都定义为即插即用的，这些总线也都满足即插即用的要求。
配置管理器是即插即用体系结构的核心元件。它由四个软件元件来工作：
 枚举器
 仲裁器
 设备安装器
 设备驱动器
其中，枚举器生成设备结点树并参与总线中的设备配置。枚举过程发生在计算机开机时，枚举结束后设备结点树包含的信息有：可用的系统资源、需要的设备驱动程序和资源的要求。
当用户将卡插上时，系统的枚举器将自动识别新设备然后查找所有的已知的.INF文件看是否有与设备ID号相匹配的，如果有则在新生成的注册表项内复制相应文件，否则提示用户插入一张安装盘。
设备信息安装文件（.INF）包含了驱动程序的名称，驱动程序应该复制到的目录，以及在驱动程序安装时必须生成和修改的注册表入口。
在编写INF文件时，我使用了VtoolsD开发包中的INF Editor工具，以下是我所编写的PCI2040安装信息文件。
[Version]
Signature=$CHICAGO$
Class=PCI Bridge //设备类型为PCI桥设备
Provider=%String0% //供应商的名称
[ClassInstall]
[DestinationDirs]
DefaultDestDir=11 //将驱动程序安装在C:/Windows/System目录下
[Manufacturer]
%String1%=SECTION_0
[SECTION_0]
%String2%=sevenstar,PCI/VEN_104C&DEV_AC60
[sevenstar]
CopyFiles=CopyFiles_sevenstar
AddReg=AddReg_sevenstar
[CopyFiles_sevenstar]
pci2040.vxd //驱动程序的名称为PCI2040.vxd
[AddReg_sevenstar]
HKR,,DevLoader,0,pci2040.vxd //在注册表中添加相关信息
[sevenstar_LogConfig]
ConfigPriority=NORMAL
IRQConfig=3,7,9,10,15 //指定PCI2040可选的中断口
[ControlFlags]
[SourceDisksNames]
1=pci2040驱动盘,,0000-0000
[SourceDisksFiles]
pci2040.vxd=1
[Strings]
String0="南京七星公司"
String1="sevenstar"
String2="PCI总线控制器"
4．4PCI2040驱动程序的开发
首先利用QuickVxD工具写出PCI2040.VxD程序的框架，其中包括将要使用的消息如SYS_DYNAMIC_DEVICE_INIT,SYS_DYNAMIC_DEVICE_EXIT,PNP_NEW_DEVNODE
W32_DEVICEIOCONTROL等,设置创建方式为动态创建，然后利用VC6.0++软件打开程序框架后进行编写。图4－3是VxD的处理过程：

 

 

 

 

 

硬件中断

图4－3
4．41设备初始化
在PCI设备驱动程序的初始化过程中，可以向CONFIG_ADDRESS(0CF8h)寄存器写入一个配置地址，再对CONFIG_DATA(0CFCh)寄存器进行读就会启动PCI配置周期，就读出了设备的配置空间的寄存器中的值。
3130 2423 16 15 1110 8 7 2 1 0

图4－4
其中第32位决定是否进行PCI的配置访问。1表示使能，0表示禁止。理论上只要知道了总线号，设备号，功能号就可以直接取得系统对PCI2040芯片配置以后配置空间的所有寄存器的内容。但是由于我们没有直接找到这几个ID,因此第一次必须自己通过枚举方式来获得这几个ID。 在枚举过程中：
1．依次向CONFIG_ADDRESS中写入所有可能的总线号，设备号和功能号，将寄存器号固定为0即第一个寄存器
2．读出CONFIG_DATA寄存器中的值，它对应于配置空间首寄存器中的值即Vendor－device ID
3．将读出的值和PCI2040芯片的Vendor－device ID（AC60104C）比较，直到二者相等此时写入的配置地址即为它的配置空间首寄存器的地址，在此基础上加上偏移量即可得到配置空间其他寄存器的地址。
下面就是获得PCI2040芯片各个ID的枚举过程，由于这些ID是不变的,因此执行一次后可以直接使用。
for(int i=0x80000000;i<0x80ffff00+1;i=i+0x100)
{ _outpd(0x0cf8,i);
Testid=_inpd(0x0cfc);
if(Testid==0xac60104c)
{
printf("The bus line ID and device ID is %08lx/n", i);
break；
}
}
由结果得知总线号是00000000，设备号是01011，功能号是000，以后可以直接以之为基准访问任意寄存器。
4．42 PCI2040的内存映射访问
对于PCI2040的映射的内存访问应该分为两步：获取PCI2040被分配的物理地址和将物理地址转换成线性地址。
获取物理地址
方法一：直接利用Windows95/98的系统信息项获得，打开我的电脑的属性，找到PCI总线控制器，选中它并看其资源项可以直接得到系统分给它的内存资源和IRQ。这种方法一般我们不采用，因为资源随时会变而我们的程序写好后就不变了，因此它只是用来对我们的结果进行校对。
方法二：在Win32程序中获得，因为对于PCI2040的HPI传输模式我们要获得两个物理地址，控制空间基址和通用总线基址，它们分别对应于配置空间偏移量为14H和18H。而在上一步骤我们得到了Vendor－device ID寄存器地址，再加上14H和18H就可以得到控制空间基址寄存器的地址，然后从中取出控制空间的基址，同样再获得通用总线基址。
方法三：利用VxD来获得，这也是我在编写过程中所采用的方法。因为一旦即插即用的设备有什么增加或删减，VxD就获得一个消息即PNP_NEW_DEVNODE，在处理函数中判断发生了什么情况，如果是它所对应设备的注册和装载，VxD就会返回CM_Register_Device_Driver函数，而它又会调用另一个配置管理函数CM_Get_ALLoc_Log_Conf来获得系统分配给它的资源。该结构如下：
Struct Config_Buffer_s
{
WORD wNumMemWindows;
DWORD dMemBase[MAX_MEM_REGISTERS];
DWORD dMemLength[MAX_MEM_REGISTERS];
WORD wMemAttrib[MAX_MEM_REGISTERS];
WORD wNumIOPorts;
WORD wIOPortBase[MAX_IO_PORTS];
WORD wIOPortLength[MAX_IO_PORTS];
WORD wNumIRQs;
BYTE bIRQRegisters[MAX_IRQS];
BYTE bIRQAttrib[MAX_IRQS];
WORD wNumDMAs;
BYTE bDMALst[MAX_DMA_CHANNELS];
WORD wDMAAttrib[MAX_DMA_CHANNELS];
BYTE bReserved[3];
};
该结构可以分为四组：内存资源描述，I/O资源描述，IRQ资源描述和DMA资源。每组的第一段表明该类作了多少分配，后面的域为相关的参数项。对于PCI2040.VXD我们得到了两个内存资源即控制空间基址和通用总线基址，一个IRQ资源是05号中断口。
值得注意的是各项资源（如控制空间基址，通用总线基址和IRQ）不固定，在不同的计算机上一般不相同，即使在同一台计算机上当硬件环境变了后一般也会变。
物理地址转换成线性地址
对于即插即用的设备，我们必须进行动态地址映射。VxD一般要经过以下几步：
（1） 调用PageReserve()函数，分配一块线性地址空间。此空间并不和具体的物理地址相关联，仅是线性地址的页表进入项。
（2） 调用PageCommitPhys()函数，将线性地址映射到设备的物理地址。
（3） 调用LinPageLock()函数，阻止虚拟内存管理器将这些页交换到磁盘空间，以保证在硬件中断期间这些地址也有效。
下面是我的源程序中关于物理地址映射成线性地址的一段程序：
#define PAGENUM(p) (((ULONG)(p))>>12)//除以4k得多少页
#define PAGEOFF(p) (((ULONG)(p))&0xFFF)//偏移地址为低4k位
#define PAGEBASE(p) (((ULONG)(p))&~0xFFF)//基址为高位
#define _NPAGES_(p,k) ((PAGENUM((char*)p+(k-1))-PAGENUM(p))+1)
PVOID MapDevice(PVOID PhysAddress, DWORD SizeInBytes)
{
#ifdef USE_MAP_PHYS_TO_LINEAR
return MapPhysToLinear(PhysAddress, SizeInBytes, 0);
#else
PVOID Linear;
ULONG nPages = _NPAGES_(PhysAddress, SizeInBytes);
Linear = PageReserve(
PR_SYSTEM,
nPages,
PR_FIXED
);//分配一块不和具体的物理地址相关联的线性地址空间
PageCommitPhys(
PAGENUM(Linear),
nPages,
PAGENUM(PhysAddress),
PC_INCR | PC_WRITEABLE | PC_USER
);//将线性地址和物理地址联系起来
LinPageLock(PAGENUM(Linear), nPages, 0);
return (PVOID) ((ULONG)Linear+PAGEOFF(PhysAddress));
#endif
}//返回值为线性地址的指针。
由于资源是动态分配的，当程序结束时应该释放资源其中包括锁定的线性页表，否则会出现内存泄漏的错误甚至导致死机。.解除设备的内存映射时，可以调用LinPageUnLock(),
PageDecommit()和PageFree()函数，它们分别是映射函数的逆过程。
下面是关于解除内存映射的一段程序：
VOID UnmapDevice(PVOID LinearAddress, DWORD SizeInBytes)
{
#ifdef USE_MAP_PHYS_TO_LINEAR
// cannot unmap
#else
LinPageUnLock(
PAGENUM(LinearAddress),
_NPAGES_(LinearAddress, SizeInBytes),
0
);
PageDecommit(
PAGENUM(LinearAddress),
_NPAGES_(LinearAddress, SizeInBytes),
0
);
PageFree((MEMHANDLE)LinearAddress,0);
#endif
}
4．43硬件中断编程
VtoolsD提供两种硬件中断类：VHardwareInt类和VsharedHardwareInt类，它们的区别在于后者允许一个IRQ被多个VxD虚拟化，即多个VxD共享一个硬件中断，这也是我们经常它的原因。在VsharedHardwareInt类中我们使用了hook()函数将VxD与分配给我们的IRQ挂起勾来，每次硬件发出中断时激发OnSharedHardwareInt函数，在该函数中进行处理或通知Win32程序让它来处理。整个流程如下：


pMyIRQ=new MyHwInt();//创建一个派生类实例
if(!pMyIRQ||!pMyIRQ->hook())break；//虚拟化系统分给的中断


BOOL MyHwInt::OnSharedHardwareInt(VMHANDLE)
{
VWIN32_QueueUserApc(CallBackApc, (DWORD)&x, TheThread);//通知Win32程序的回调函数
sendPhysicalEOI();//通知VPICD中断处理结束
return FALSE;//必须返回FALSE以让其他VxD捕获该中断
}


第五章应用程序的开发
我的应用程序是用VC6.0++开发的，在应用程序中主要做了两件事情，一是利用从VxD获得的内存映射地址对PCI2040进行初始化设置，二是响应VxD的中断通知读取数据并显示与屏幕。它的流程如下：

 

 

 

 

 

 

 

图5－1
5．1打开VxD
当应用程序运行后首先要做的是动态打开VxD，我们使用了CreateFile()函数来打开PCI2040.VxD文件，hDevice = CreateFile(".//pci2040.VXD", 0,0,0,CREATE_NEW, FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE, 0);返回值是VxD的设备句柄，.//PCI2040.VXD表示按照默认路径查找文件PCI2040.VXD,首先是C:/Windows/System目录，然后才是当前目录。如果返回值是INVALID_HANDLE_VALUE表示有错误，可以调用GetLastError()获得错误信息，错误代码若为2，表示找不到要加载的VxD，可能导致原因是没有VxD文件或即使有但它不能动态加载；错误代码若为50，表示虽然VxD存在，但系统不支持DeviceIoControl()函数。
5．2应用程序与VxD通信
在Windows中，Win32应用程序主动对VxD的通信方法只有一种，就是利用设备输入输出控制函数DeviceIoControl()，它的定义如下：
BOOL DeviceIoControl（
HANDLE hDevice, //加载VxD后所获得的句柄
DWORD dwIoControlCode, //应用程序调用VxD的命令代码
LPVOID lpInBuffer, //应用程序传递给VxD数据缓冲地址
DWORD nInBufferSize, //应用程序传递给VxD的数据缓冲字节数
LPVOID lpOutBuffer, //VxD的返回数据所存放的缓冲地址
DWORD nOutBufferSize, //VxD的返回数据所存放的缓冲字节数
LPOVERLAPPED lpOverlapped ， //一个指向OVERLAPPED结构的地址，同步 时置为NULL
）；
其中dwIoControlCode：应用程序调用VxD的命令代码，它是应用程序和VxD通信的“语言”，通过它VxD知道应用程序要它做什么事情。
在VxD中收到W32_DEVICEIOCONTROL控制消息，由OnW32DeviceIoControl (PIOCTLPARAM pDIOCParams)函数来响应。它的结构定义如下：
参数 pDIOCParams:为指向IOCTLPARAMS结构的指针。
typedef struct tagIOCTLParams
{
PCLIENT_STRUCT dioc_pcrs;
VMHANDLE dioc_hvm;
DWORD dioc_VxdDDB;
DWORD dioc_IOCtlCode; //应用程序调用VxD的命令代码
PVOID dioc_InBuf; //应用程序传递给VxD的数据缓冲地址
DWORD dioc_cbInBuf; //应用程序传递给VxD的数据缓冲字节数
PVOID dioc_OutBuf; //VxD的返回数据所存放的缓冲地址
DWORD dioc_cbOutBuf; //VxD的返回数据所存放的缓冲字节数
PDWORD dioc_bytesret; //VxD实际返回数据的字节数
OVERLAPPED* dioc_ovrlp; //一个OVERLAPPED的结构地址，同步时
//置为NULL
DWORD dioc_hDevice;
DWORD dioc_ppdb;
} IOCTLPARAMS, *PIOCTLPARAMS;
其中dioc_IOCtlCode：为应用程序调用VxD的命令代码。后面的六个参数分别与前面的参数相对应。下面将详细说明我所用的几个命令代码，它们必须在一个头文件中定义，而应用程序和VxD必须包含该头文件。
switch (pDIOCParams->dioc_IOCtlCode)
{
case DIOC_OPEN:――应用程序打开VxD文件的命令通知
dout<<”open”<
break;
case DIOC_CLOSEHANDLE:――应用程序关闭VxD的命令通知
dout<<"close"<
break;
case MDR_SERVICE_UNMAP:――通知VxD解除线性地址锁定
dout<<"unmap"<
break;
case MDR_SERVICE_MAP:――通知VxD进行线性地址转换
dout<<"map"<
break;
case GETMEMBASE0:――通知VxD传递第一个物理地址基址到应用程序
dout<<"getmembase0"<
break;
case GETMEMBASE1: ――通知VxD传递第二个物理地址基址到应用程序
dout<<"getmembase1"<
break;
case GETIOBASE: ――通知VxD传递I/0基址到应用程序
dout<<"GETIOBASE"<
break;
case GETIRQ: ――通知VxD传递中断号到应用程序
dout<<"GETIRQ"<
break;
case ADDRPASS: ――将回调函数的基址送给VxD
dout<<"addrpass"<
break;
default:
return -1;――其他为非法的命令通知
}
5．3VxD与应用程序通信
一般情况我们只需要应用程序对VxD通信，但是由于我们选择了在应用程序中处理中断，而只有VxD才能响应中断，因此VxD必须主动通知应用程序。VxD对Win32应用程序的通信经常使用的方法有两种，一是使用APC(异步调用过程)，二是使用Win32事件。二者都依赖VxD唤醒一个Win32应用程序，异步调用过程比较简单，使用Win32事件编程相对复杂一些但它的效率要高于异步调用过程。
Win32事件编程
Win32事件要求应用程序为多线程的，一个线程处于等待状态等待VxD唤醒，当VxD捕捉到特定的事件发生时，给处于等待状态的线程发送消息将其唤醒，而与此同时主线程进行着相应的工作。具体流程如下见图5－2。
异步调用过程
这种方法比较简单，我在编写过程中使用了该通信方式。应用程序首先将VxD要回调的应用程序函数的入口地址传递给VxD，然后应用程序执行SleepEx()使此线程处于警觉等待状态，当VxD捕捉到中断时调用VWIN32_QueueUserApc()函数给Win32应用程序发消息，即可触发Ring3层应用程序的回调函数。
在应用程序中，回调函数的格式如下：
DWORD WINAPI CallBackAPC(PVOID param)
{ ――进行相应处理
return 0；
}
其中param表示VxD传给它的参数的首地址的指针。
在VxD的中断响应函数中使用了VWIN32_QueueUserApc()函数，中断响应函数如下：
BOOL MyHwInt::OnSharedHardwareInt(VMHANDLE)
{
VWIN32_QueueUserApc(CallBackApc, (DWORD)&x, TheThread);
sendPhysicalEOI();
return FALSE;
}
其中VWIN32_QueueUserApc()的三个参数分别对应于回调函数的入口地址，VxD传递给应用程序的数据的入口地址以及回调的应用程序的线性句柄。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

NO

YES

 

图5－2
5．4绘图程序
对于
参考文献
1．《虚拟设备驱动程序开发起步与进步》 彭礼孝 编著 人民邮电出版社
2．《Windows设备驱动程序开发实务》 武安河 周利莉 编著 电子工业出版社3．《Winows设备驱动程序技术内幕》 孙守阁 徐勇 编著 清华大学出版社 4．《Visual C++ 程序设计 提高篇》 乔林 杨志刚 刘文杰编著 中国铁道出版社5．《深入浅出MFC》 候俊杰 编著 华中科技大学出版社
6．《PCI2040 PCI-DSP Bridge Controller Data Manual》 TI公司