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虚拟设备驱动程序(VxD)设计中的两个关键问题

王朝vc·作者佚名  2006-01-08
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虚拟设备驱动程序(VxD)设计中的两个关键问题

陈国友

在虚拟设备驱动程序(VxD)的设计中,两个尤为关键,且又令人困扰的问题是VxD的虚拟化和VxD与应用程序间的通信机制。下面,对这两个问题作一详细的探讨。

一、VxD的虚拟化

由于Windows允许同时运行多个任务,所以出现多个进程试图同时访问同一物理设备的情况时,如果多个应用程序通过同一个DLL驱动程序(注意和虚拟设备驱动程序VxD的区别)访问设备,不需要对该设备虚拟化,驱动程序使之顺序访问;如果是多个Windows应用程序对相同设备同时访问,由于都运行于System VM(系统虚拟机),所以也不需要虚拟化,它们的访问将由一个驱动程序(Windows driver DLL)进行检测并使之串行化,而不是依靠VxD;如果多个VM试图访问同一设备,由于DOS应用程序能够直接操纵硬件,所以必须对该设备进行虚拟化,一个虚拟化设备的VxD负责可靠地检测多个VM试图访问同一设备的情况,并采取仲裁的策略来解决这种冲突。这里可能有以下几种解决方案:

1、允许一个VM访问物理设备,同时忽略其它的VM。这是最简单的虚拟化形式。如VPD(Virtual Printer Device)。

2、允许一个VM访问物理设备,同时为其它的VM虚拟化设备。如VKD(Virtual Keyboard Device)分配给一个VM,并使之获得物理键盘的访问权(包括键盘中断在内),对其它的VM而言,VKD只向它们提供一个空的键盘缓冲区。

3、允许多个VM共享同一物理设备。尽管存在假象,但从VM的观点来看,这种方法与独享访问一样。如VDD(Virtual Display Device),使每一个Windows环境下的DOS VM认为是直接写入显存,其实只是被VDD映射到了一个窗口的缓冲区。

4、VxD独立访问物理设备的同时,允许一个VM访问虚拟设备,这是最复杂的虚拟化形式。如VCD(Virtual Com Device),VCD缓冲区接收串行数据并通过映射中断透明地传给相应的一个VM,VM在中断处理过程中读取串口数据寄存器,这些数据的实质是VCD缓冲区已经接收的数据。

与物理设备一样,硬件中断很多时候也必须虚拟化,这种情况更为复杂。虚拟化中断实质上就是将硬件产生的中断映射到需要它的每一个VM(不管该VM是否正在运行),替代VxD进行服务。在这里我们给出一个虚拟化中断的VxD实例的几个重要回调过程,并采用最简单的仲裁策略来解决访问冲突(见程序1)。

typedef struct

{

IRQHANDLE IrqHandle;

VMHANDLE VMOwner;

Char DeviceName[8];

BOOL bVMIsServicing;

} DEVICE_CONTEXT;

void _stdcall MaskChangHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ , BOOL bMasking )

//当一个VM在中断控制器中屏蔽或打开中断hIRQ时,VPICD调用该过程

{

if ( !bMasking ) //若为打开中断

{

if ( !device.VMOwner )

{

device.VMOwner = hVM; //若无任何VM占有该中断,则将该中断的拥有权设为当前VM

}

else

{

if ( device.VMOwner != hVM )

{

device.VMOwner = SHELL_Resolve_Contention ( device.VMOwner , hVM , device.DeviceName );

//若已有VM占有该中断,则用户可通过对话框在两者间作出选择

}

}

VPICD_Physically_Unmask ( hIRQ ); //打开该物理中断

}

else

{

device.VMOwner = 0;

VPICD_Physically_Mask ( hIRQ ); //屏蔽该物理中断

}

}

BOOL _stdcall HwIntHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ )

//当中断hIRQ发生,VPICD立即调用该过程

{

if ( device.VMOwner && !device.bVMIsServicing ) //若有VM占有该中断并且不在上一次的中断处理中

{

VPICD_Set_Int_Request ( device.VMOwner , hIRQ ); //请见本例程后的讨论

}

else

{

......

}

return TRUE;

}

void _stdcall VirtIntHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ )

//当VPICD每次向VM模拟中断时,调用该过程

{

device.bVMIsServicing = TRUE; //设置中断处理标志

}

void _stdcall IRETHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ )

//当从VM的中断处理返回,执行该回调

{

device.bVMIsServicing = FALSE; //清除中断处理标志

}

(程序1)

由于中断是异步产生的,所以当VxD调用VPICD(虚拟可编程中断控制器)服务VPICD_Set_Int_Request将该中断映射到VM时,该VM应处于执行状态。

(1)在映射的第一步,VPICD通过调用VMM(虚拟机管理器)服务Call_Priority_VM_Event强制调度所希望的VM,使用最高的优先权(Time_Critical_Boost);

(2)VPICD提供一个该服务的回调,所以当VM被调度运行时,VMM即可通知VPICD;

(3)然后VPICD通过调用另一个VMM服务Simulate_Int来调整VM的运行环境。该服务将VM的CS、IP和标志寄存器压入VM的堆栈,从VM的中断向量表IVT取出新的CS、IP和标志寄存器,并且清除中断标志;

(4)当VPICD从回调返回,并且VMM变回V86模式时,VM便立即执行已向VPICD注册的中断处理过程。

编写虚拟化设备的VxD与编写非虚拟化设备的VxD有很大的不同,主要是它要用到一组完全不同的VMM和VxD服务。实际上,现在很多为新设备所编写的VxD根本就不再虚拟化,因为并没有DOS或Windows应用程序直接访问这些硬件。

二、VxD与应用程序间的通信机制

由于VxD并不仅仅处理硬件,所以在大多数情形下,VxD还向应用程序提供一个接口。通过该接口,应用程序就能够做与硬件有关的事情了。

Windows 9x具有VxD与应用程序双向通信的机制。下面叙述的应用程序均指Win32应用程序。

应用程序到VxD的通信机制是:VxD并不象Win16应用程序接口那样输出一个特殊的API过程(保护模式API过程或V86模式API过程)来支持应用程序,取而代之的是它的控制过程必须能够处理一个特殊的消息:W32_DEVICEIOCONTROL。VMM代替调用DeviceIoControl函数的应用程序向VxD发送此消息。消息参数可确定VxD消息响应函数、输入输出缓冲区指针及缓冲区大小,并绑定在DIOCPARAMETERS结构中。通过这一接口,不仅仅可以读写设备,而且还能在应用程序和VxD之间互传指针,从而达到特殊应用的目的。

有时只需调用应用程序与VxD间的接口,便能及时获得所需信息和服务。但还有一些特殊情况,必须由VxD异步通知应用程序,这就需要用到VxD到应用程序的通信机制。

VxD到应用程序的接口关系要比应用程序到VxD的接口关系复杂得多。其间有两种调用方法:一种是使用PostMessage函数。通过调用这一由外壳VxD(SHELL VxD)提供的新服务,便可通知应用程序;另一种是使用特殊的Win32技术。这种技术的独到之处在于Win32 API支持多线程。

在Win32技术中,尽管采用的APC(Asynchronous Procedure Calls)异步过程调用机制和Win32事件机制都依赖于唤醒一个Win32应用程序线程,但仍略有不同。VxD到应用程序最简单的通信机制就是通过APC,这种方法对应用程序和VxD相对要简单一些。应用程序首先动态加载VxD(CreateFile),并用DeviceIoControl将回调函数的地址传给VxD,然后应用程序执行Win32调用SleepEx将其自身置为“挂起”(asleep yet alertable)状态时。当应用程序处于“挂起”状态,VxD能够通过VWIN32 VxD提供的QueueUserApc服务调用应用程序的回调函数。另一种更有效的方法是使用Win32事件机制。如果应用程序运行多个线程,当子线程等待着VxD来唤醒它的同时,主线程能够继续做自己的工作。例如,当一个子线程在等待VxD缓存接收的数据时,主线程可同时监控用户的输入。一旦缓冲区达到门限,VxD将唤醒等待的子线程。对于线程间的通知,VxD使用线程事件,就象应用程序的多线程机制所做的那样。在Windows 95下,VxD可访问与多线程应用程序非常相同的一些Win32事件API(由VWIN32 VxD提供)。这些VWIN32事件服务包括:_VWIN32_ResetWin32Event、_VWIN32_SetWin32Event、_VWIN32_PulseWin32Event、_VWIN32_WaitSingleObject、_VWIN32_WaitMultipleObjects。利用这些服务,VxD可唤醒一个等待的Win32应用程序线程,或是等待被一个Win32应用程序线程唤醒。不幸的是VxD不只是通过简单调用相应的事件服务,就能够获得Win32事件的句柄。因此,为获得Win32事件的句柄要涉及到一个复杂的过程和一个未公布的系统调用。事件通常是由应用程序产生(Win32 API CreateEvent),然后使用未公布的Win32 API函数OpenVxDHandle将获得的事件句柄转换为VxD事件句柄,再通过DeviceIoControl将这一ring 0级事件句柄传给VxD,于是VxD便可将其作为VWIN32事件函数的参数来使用。

因为Windows采用基于消息的事件驱动机制,而VxD并不提供直接发往应用程序线程的消息,所以PostMessage所发消息与其它众多的消息都在主线程的消息循环中处理。这样,当执行一些界面操作时,大量的消息占据了消息队列,VxD所发送的消息就有可能得不到相应的处理。为解决这一问题,在实际设计中可采用的方法有两种:第一种是仍采用PostMessage,但在应用程序和VxD中需设置标志位,判断消息是否被处理并作了相应的工作(如重传数据);第二种是使用Win32事件机制,将一个线程专用于等待响应Win32事件,而另一些线程用于其它处理。下面给出VxD利用Win32事件机制激活Win32应用程序线程的部分例程(见程序2)。当生成或消除(destroy)一个VM,VxD便通知注册的应用程序,并显示出相应的信息。

在VxD中,

DWORD OnW32Deviceiocontrol ( PDIOCPARAMETERS p ) //VxD与Win32应用程序的接口函数

{

DWORD rc;

swirch ( p->dwIoControlCode )

{

case DIOC_OPEN: //系统定义功能号:设备打开

rc = 0;

break;

case DIOC_CLOSEHANDLE: //设备关闭

bClientRegistered = FALSE;

rc = 0;

break;

case EVENTVXD_REGISTER: //自定义功能号

hWin32Event = p->lpvInBuffer;

*( (DWORD *) (p->lpvOutBuffer) ) = (DWORD) & GlobalVMInfo;

*( (DWORD *) (p->lpcbBytesReturned) ) = sizeof (DWORD);

bClientRegistered = TRUE;

rc = 0;

break;

default:

rc = 0xffffffff;

}

return rc; //若返回0表示成功

}

BOOL OnVmInit ( VMHANDLE hVM ) //一旦有VM被初始化便执行

{

if ( bClientRegistered )

{

GlobalVMInfo.hVM = hVM;

GlobalVMInfo.bVmCreated = TRUE;

Call_Priority_VM_Event (LOW_PRI_DEVICE_BOOST , Get_Sys_VM_Handle() ,

PEF_WAIT_FOR_STI+PEF_WAIT_NOT_CRIT ,

hWin32Event , PriorityEventThunk , 0 );

//使System VM为当前运行状态,将Ring0级事件句柄作为回调过程的参数

}

return TRUE;

}

VOID OnVmTerminate ( VMHANDLE hVM ) //一旦有VM被终结便执行

{

if ( bClientRegistered )

{

GlobalVMInfo.hVM = hVM;

GlobalVMInfo.bVmCreated = FALSE;

Call_Priority_VM_Event (LOW_PRI_DEVICE_BOOST , Get_Sys_VM_Handle() ,

PEF_WAIT_FOR_STI+PEF_WAIT_NOT_CRIT ,

hWin32Event , PriorityEventThunk , 0 );

}

}

VOID _stdcall PriorityEventHandler ( VMHANDLE hVM , PVOID Refdata , CRS * pRegs )

{

HANDLE hWin32Event = Refdata;

_VWIN32_SetWin32Event ( hWin32Event ); //激活事件对象

}

在Win32应用程序中;

VOID main ( int ac , char *av[ ] )

{

hEventRing3 = CreateEvent ( 0 , FALSE , FALSE , NULL ); //生成Ring3级事件句柄

if ( !hEventRing3 )

{

printf ( "Cannot create Ring3 event\n" );

exit ( 1 );

}

hKernel32Dll = LoadLibrary ( "kernel32.dll" );

if ( !hKernel32Dll )

{

printf ( "Cannot load KERNEL32.DLL\n" );

exit ( 1 );

}

pfOpenVxDHandle = ( HANDLE ( WINAPI * ) ( HANDLE ) )

GetProcAddress ( Kernel32Dll , "OpenVxDHandle" );

If ( !pfOpenVxDHandle )

{

printf ( "Cannot get addr of OpenVxDHandle\n" );

exit ( 1 );

}

hEventRing0 = (*pfOpenVxDHandle ) ( hEventRing3 ); //将Ring3级事件句柄转换为Ring0级事件句柄

if ( !hEventRing0 )

{

printf ( "Cannot create Ring0 event\n" );

exit ( 1 );

}

hDevice = CreateFile ( VxDName , 0 , 0 , 0 , CREATE_NEW , FILE_FLAG_DELETE_ON_CLOSE , 0 );

//动态加载VxD

if ( !hDevice )

{

printf ( "Cannot load VxD error = %x\n" , GetLastError ( ) );

exit ( 1 );

}

if ( !DeviceIoControl ( hDevice , EVENTVXD_REGISTER , hEventRing0 , sizeof ( hEventRing0 ) , &pVMInfo , sizeof ( pVMInfo ) , &cbBytestReturned , 0 ) )

//Win32程序与VxD的接口函数,将Ring0级事件句柄传入VxD,从VxD传出GlobalVMInfo结构的指针

{

printf ( "DeviceIoControl REGISTER failed\n" );

exit ( 1 );

}

CreateThread ( 0 , 0x1000 , SecondThread , hEventRing3 , 0 , &tid ); //创建线程

printf ( "Press any key to exit..." );

getch ( );

CloseHandle ( hDevice );

}

DWORD WINAPI SecondThread ( PVOID hEventRing3 )

{

while ( TRUE )

{

WaitForSingleObject ( ( HANDLE ) hEventRing3 , INFINITE ); //等待相应事件

printf ( "VM %081x was %x" , pVMInfo->hVM , pVMInfo->bCreated ? "created": "destroyed" );

//显示被created或destroyed的VM

}

return 0;

}

(程序2)

三、结束语

虽然VxD的设计还涉及到其它许多方面,但掌握解决以上关键问题的细节将对VxD的编程起到十分重要的作用。希望本文能给大家带来一些帮助。

(作者地址:南京通信工程学院研究生二队 210016 收稿日期:1999.2.2)

 
 
 
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