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 1x 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）
