Windows下的硬件中断处理

文章编号：1006-1576（2006）01-0083-02

Windows下的硬件中断处理

李永军1，胡昌林1，赵广宁2

(1. 军械工程学院导弹工程系，河北石家庄 050003，2. 271834部队 73分部，河北石家庄 050003)

摘要：Windows下的硬件中断首先从Vhard-wareInt类中派生出一个类，定义构造函数并重载各个信号处理程序。调用类VhardwareInt的构造函数，指定IRQ。再在VxD初始化时，用new动态创建其派生类对象实例，对重载的中断通知处理程序编程。最后调用钩挂函数（hook）中断处理程序。成功钩挂后，还可调用Physical Unmark成员函数，确保允许中断处理。

关键词：硬件中断；中断处理；构造函数；派生类

中图分类号：TP311.11 文献标识码：A

Hardware Interrupt Process in Windows

LI Yong-jun, HU Chang-lin, ZHAO Guang-ning

(1. Dept. of Missile Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;

2. No.73 Department, No. 271834 Army of PLA, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract: At first, a species was derived from Vhard-wareInt for the hardware interrupt process in Windows, structure function was defined and each signal processing program was reloaded. The structure function of VhardwareInt-like was called to designate IRQ. Then, the object example of derived species was created by using new dynamic condition. The interrupt process program of reloading interrupt notice was compiled, at last, the hook function was called to interrupt program. After hooking, the Physical Unmark member function was called to make sure the interrupt process.

Keywords: Hardware interrupt; Interrupt process; Structure function; Derived species

1 引言

硬件中断处理是在开发设备驱动程序过程中经常遇到的问题，而Windows虚拟环境下中断的响应过程更让人感到迷惑。Windows将硬件中断转化为能够触发执行的驻留在不同虚拟机中的ISR（中断服务程序）事件，即是一个较好的中断处理方法。

2 Windows下的中断响应过程

Windows下，处理器在不同的状态（V86、实模式和保护模式）下运行。当DOS运行时，处理器运行V86模式。当Windows执行时或当DOS VM 已经切换进保护模式时，处理器运行Ring3保护模式。当VMM（虚拟机管理器）或VXD（虚拟设备驱动程序）执行时，处理器运行在Ring0保护模式。

在Windows环境中，Windows将所有的IDT 入口指向VMM中的一个函数。VMM会判断出来自IDT入口项的调用是作为异常被调用还是作为中断被调用。VMM本身负责处理异常而将所有硬件中断交给一个名为VPICD（虚拟可编程中断控制器设备）的VXD。如果某个VXD已经为某个硬件中断注册了中断处理函数，那么VPICD就将中断传递给该VXD。如果没有，VPICD将把某个中断传递给某个VM，这一过程被称作“中断反射”。

VXD通过调用VPICD的VPICD_Viutualize_ IRQL服务函数为特定的硬件中断注册并将回调函数传递给VPICD。一旦VXD已经为中断注册，它将作为一个真正的中断处理器，为中断设备进行中断服务，同时VXD可能使用另一个VPICD服务函数VPICD_Set_Int_Request来把中断映射到VM，让VM的中断处理函数来提供服务。中断过程如图1。

图1 从IDT到VXD中断处理函数的途径

3 用户使用中断服务要注意的问题

(1) 中断响应时间

为了实现实时操作，一般要求中断响应时间尽可能的短。由于硬件中断的响应过程比较复杂，中断响应时间通常在1ms以上。为了使中断响应时间最短，硬件中断的处理应在VXD中进行。但即使在VXD中进行，VXD也不能保证对硬件中断的实时响应。原因在于ring转换以及VMM和VPICD 之间存在多个层次的联系。

(2) EOI（中断结束）处理

收稿日期：2005-07-16；修回日期：2005-09-07

作者简介：李永军（1972-），男，河北人，1994年毕业于西北工业大学，2003年获军械工程学院硕士，从事自动测试与故障诊断研究。

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在编写中断处理函数时，常见的错误是忘记EOI，导致一个硬件中断仅被调用一次。虽然设备本身能产生更多的中断，但是PIC（可编程中断控制器）不让这些中断到达处理器，并会一直持续到PIC接受到EOI为止。

Windows使用与DOS不同的中断控制器的EOI 机制。VPICD是被中断通知的第一个VXD，然后VPICD立即发送“特定EOI”到控制器。然后VPICD屏蔽控制器上的中断级别。这两个操作使得其他的中断级别可以被识别，包括那些比正在中断的级别低的优先权。当VXD在退出中断处理函数前调用VPICD_Phys_EOI服务函数时，VPICD将清除相同级别上的中断的屏蔽。

(3) 内存管理

处理硬件中断的驱动程序对所有分配的内存有严格的要求。所有在中断期间要访问的代码和数据都必须是固定的、页码锁定的和不可废弃的。这包括中断处理函数本身的代码以及在中断处理过程中要用到的驱动程序代码段、任何动态分配的缓冲区和应用程序分配的要传递给驱动程序的缓冲区。

内存要求必须是固定的。因为内存管理器把中断处理函数要用到的数据段移动了，在一些字节被拷贝后，硬件中断发生，这时硬件中断处理函数被执行。硬件中断处理函数会更新正在移动的数据段中的一些内容，当处理函数结束运行之后，内存管理器接着移动数据段，而这时的数据段已经被处理函数更改过了。内存管理器并不知道处理函数已经改变了数据。而使用该数据段的应用程序就得不到希望得到的数据。

同时内存又要求必须是页面锁定的。假设硬件中断发生了，而内存管理器是在可废弃的代码中，那么就会发生段不在内存中的警告，在此种情况下就有可能发生重入DOS的情况，而DOS代码是不可重入的，所以代码段是不可废弃的。

4 中断处理程序的具体实现

开发虚拟设备驱动程序（VxD）的常规方法是使用设备驱动程序开发工具包DDK（Device Developer Kit）。IRQ虚拟化的VxD开发是基于VTOOLSD提供的VhardwareInt类，具体编程思想是：首先从Vhard-wareInt类中派生出一个类，在派生类中定义构造函数，并重载各个信号处理程序:OnHardwareInt是必须重载的，而其他的信号处理程序，如OnVirtualInt、OnVirtualEOI、OnVirtualRET和OnVirtualMask，可根据需要重载。在派生类构造函数里调用类VhardwareInt的构造函数，并指定IRQ。接着，在VxD的初始化时，如在Vdevice::OnDeviceInt函数里用new动态创建一个派生类对象实例；对重载的中断通知处理程序编程；最后调用钩挂函数（hook）钩挂中断处理程序。在成功钩挂后，还可调用PhysicalUnmark成员函数，确保允许中断处理。

运用WinDriver很容易完成中断处理、访问I/O 端口、物理内存分配、执行DMA操作等工作。它的优点在于开发人员用熟悉的C/C++ 或Delphi语言来编写设备驱动程序，避免了复杂的、难于调试的内核模式代码，这样不但会节省时间，而且会避免犯许多错误。另一方面调试非常方便、配置修改容易。WinDriver提供了一个可视化的代码生成器WinDriverWizard，一个WinDriver发行包。首先从运行WinDriverWizard开始，用它提供的界面生成板卡的配置文件，设置I/O地址信息、板卡的中断号、物理内存地址信息等。WinDriverWizard可以让用户立即接触到硬件。这种便利来自于它的自动检测功能。它会自动地读写设置的I/O地址、内存、侦听中断。在此之后，通过选择“产生代码”（GenerateCode）选项，WinDriverWizard会产生基本的程序代码，接下来需要把生成的代码文件：WinDrvr和CardLib文件链入应用程序中或者封装成动态链接库。WinDriver提供了许多函数供用户使用。与中断处理和I/O读写有关的函数有：

WD-Open() ;打开、初始化板卡

WD-Close() ;关闭板卡

WD-CardRegister() ;板卡注册和资源分配

WD-CardUnRegister() ;板卡的删除和资源释放。

WD-IntEnable() ;开中断。

WD-IntDisable() ;关中断。

WD-IntWait() ;截获中断信号。

5 结束语

在WIN32下，中断接入和I/O访问是一个比较复杂的问题。这里的中断响应过程是Windows 环境下一般的中断处理方法，不同的Windows操作系统版本下会有一些区别。而具体实现方法可使用VTOOLSD和WinDriver。

参考文献：

[1] KAREN HAZZAH. Windows VxD与设备驱动程序权威

指南[M]. 孙喜明, 译. 北京: 中国电力出版社, 2001. [2] 杨强, 李堂秋. Win9X虚拟设备驱动程序编程指南[M].

北京: 清华大学出版社, 1999.

[3] 郑纬民, 汤志忠. 计算机系统结构[M]. 北京: 清华大学

出版社, 1998.

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