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Windows 中斷程序設計
摘 要 該文探討Windows3.1的中斷機制,并結合DPMI接口給出一種中斷程序設計方法,以越過(guò)系統和應用程序的消息隊列,處理外部實(shí)時(shí)事件。
一、前言
Windows提供強大的功能以及友好的圖形用戶(hù)界面(GUI),使得它不僅廣泛的用作管理事務(wù)型工作的支持平臺,也被工業(yè)領(lǐng)域的工程人員所關(guān)注。但Windows3.1并非基于優(yōu)先級來(lái)調度任務(wù),無(wú)法立即響應外部事件中斷,也就不能滿(mǎn)足工業(yè)應用環(huán)境中實(shí)時(shí)事件處理和實(shí)時(shí)控制應用的要求。因此,如何在Windows環(huán)境中處理外部實(shí)時(shí)事件一直是技術(shù)人員尤其是實(shí)時(shí)領(lǐng)域工程人員所關(guān)注的問(wèn)題。目前已有的方法大都采用內掛實(shí)時(shí)多任務(wù)內核的方式,如Windows下的實(shí)時(shí)控制軟件包FLX等,而iRMX實(shí)時(shí)操作系統則把Windows3.1當作它的一個(gè)任務(wù)來(lái)運行。對于大型的工程項目,開(kāi)發(fā)人員可采用購買(mǎi)實(shí)時(shí)軟件然后集成方式。
對中小項目,從投資上考慮就不很經(jīng)濟。如何尋找一種簡(jiǎn)明的方法來(lái)處理外部實(shí)時(shí)事件依然顯得很必要。
本文首先闡述Windwos的消息機制及中斷機制,然后結合DPMI接口,給出一種保護模式下中斷程序的設計方法,以處理外部實(shí)時(shí)事件。經(jīng)實(shí)際運行結果表明,該方法具有簡(jiǎn)潔、實(shí)用、可靠的特點(diǎn),并同樣可運行于Win95。
二、Windows的消息機制
Windows是一消息驅動(dòng)式系統,見(jiàn)圖1。Windows消息提供了應用程序與應用程序之間、應用程序與Windows系統之間進(jìn)行通訊的手段。應用程序要實(shí)現的功能由消息來(lái)觸發(fā),并靠對消息的響應和處理來(lái)完成。
Windows系統中有兩種消息隊列,一種是系統消息隊列,另一種是應用程序消息隊列。計算機的所有輸入設備由Windows監控,當一個(gè)事件發(fā)生時(shí),Windows先將輸入的消息放入系統消息隊列中,然后再將輸入的消息拷貝到相應的應用程序隊列中。應用程序中的消息循環(huán)從它的消息隊列中檢索每一個(gè)消息并發(fā)送給相應的窗口函數中。一個(gè)事件的發(fā)生,到達處理它的窗口函數必需經(jīng)歷上述過(guò)程。值得注意的是消息的非搶先性,即不論事件的急與緩,總是按到達的先后排隊(一些系統消息除外),這就使得一些外部實(shí)時(shí)事件可能得不到及時(shí)的處理。
圖1
三、Windows的保護模式及中斷機制
1.Windows的保護模式
保護模式指的是線(xiàn)性地址由一個(gè)選擇符間接生成的,該選擇符指向描述表中的某一項;而實(shí)模式中則通過(guò)一個(gè)段/偏移量對來(lái)直接尋址。80386(486)CPU提供的保護模式能力包括一個(gè)64K的虛擬地址空間和一個(gè)4G的段尺寸。Windows3.1實(shí)現時(shí)有所差別,它支持標準模式和增強模式。標準模式針對286機器,不屬本文探討范圍。增強模式是對386以上CPU而言,Windows正是使用保護模式來(lái)打破 1M的屏障并且執行簡(jiǎn)單的內存保護。它使用選擇器、描述器和描述器表控制訪(fǎng)問(wèn)指定內存的位置和段。描述器表包括全局描述器表、局部描述器表、中斷描述器表。保護模式與實(shí)模式有許多不同。其中顯著(zhù)的差異是訪(fǎng)問(wèn)內存的機制不同。
2.中斷機制
(1)實(shí)模式中斷
為了便于理解,我們先回顧實(shí)模式中斷。
在實(shí)模式下,中斷向量表IVT起到相當重要的作用。無(wú)論來(lái)自外部硬件的中斷或是內部的軟中斷INTn,在CPU中都產(chǎn)生同樣的響應。
①CPU將當前的指令指針寄存器(IP)、代碼段寄存器(CS)、標志寄存器壓入堆棧。
②然后CPU使用n值作為指向中斷向量表IVT的索引,在IVT中找出服務(wù)例程的遠地址。
③CPU將此遠地址裝入CS:IP寄存器中,并開(kāi)始執行服務(wù)例程。
④中斷例程總以IRET指令結束。此指令使存在堆棧中的三個(gè)值彈出并填入CS、IP和標志寄存器,CPU繼續執行原來(lái)的指令。
(2)保護模式中斷
保護模式中斷過(guò)程與實(shí)模式中斷過(guò)程類(lèi)似,但它不再使用中斷向量表IVT,而使用中斷描述符表(IDT)。值得一提的是,Windows運行時(shí)IVT還存在,應用程序并不使用它,Windows仍然使用,但含義已不同。
①I(mǎi)VT結構:IVT在RAM的0000∶0000之上,占據開(kāi)始的1024字節。
它仍然由BIOS啟動(dòng)例程設置,由DOS填充到RAM中。
②IDT 中斷描述符表:保護模式下,Windows操作系統為實(shí)現中斷機制而建立的一個(gè)特殊表,即中斷描述符表IDT。該表被用來(lái)保存中斷服務(wù)例程的線(xiàn)性地址,它們是真正的24位或32位地址,沒(méi)有段:偏移值結構。中斷描述器表最多可含有256個(gè)例程說(shuō)明,詳細說(shuō)明請見(jiàn)【3】。I
DT結構見(jiàn)圖2。
圖2
③當中斷或異常發(fā)生時(shí),處理過(guò)程與實(shí)模式類(lèi)同。當前的CS∶IP值和標志寄存器值被存儲。保存的內容還包括CPU其他內部寄存器的值,以及目前正在被執行的任務(wù)的有關(guān)信息(若必須發(fā)生任務(wù)切換的話(huà))。CPU設法獲取中斷向量后,以它為索引值,查找IDT中的服務(wù)例程遠地址,接著(zhù)將控制轉移到該處的服務(wù)例程。這是與實(shí)模式轉移到IVT的不同所在。保護模式使用IDTR寄存器分配和定位內存中的IDT中斷描述符表。IDT在內存中是可移動(dòng)的,與IVT固定在內存中剛好相反。IDT中斷描述符表在Windows中起決定性的作用。理解了Windows下保護模
式的中斷機制。有助于我們理解中斷服務(wù)程序的設計,它的關(guān)鍵就在于如何將服務(wù)例程的地址放入IDT中斷描述符表中。當中斷發(fā)生時(shí),如何將斷點(diǎn)地址及CPU各寄存器值保護起來(lái);中斷結束時(shí),如何將保護的值恢復。Windows系統本身并不提供實(shí)現上述功能的API,而DOS保護模式接口DPMI正具備了上述的功能。
下面我們首先介紹DPMI接口,然后基于它實(shí)現Windows下中斷服務(wù)程序的設計。
四、DOS保護模式接口DPMI
Windows除了標準服務(wù)外,還支持一組特殊的DOS服務(wù),稱(chēng)為DOS保護模式接口DPMI,由一些 INT 2FH和INT 31H服務(wù)組成。它使應用程序能夠訪(fǎng)問(wèn)PC系列計算機的擴充內存,同時(shí)維護系統的保護功能。DPMI通過(guò)軟件中斷31h來(lái)定義了一個(gè)新的接口,使得保護模式的應用程序能夠用它作分配內存,修改描述符以及調用實(shí)模式軟件等工作。
Windows為應用程序提供DPMI服務(wù)。即Windows是DPMI 的宿主(host),應用程序是DPMI的客戶(hù)(client),可通過(guò)INT-31H調用得到DPMI服務(wù)。INT-31H本身提供多功能。其中它的中斷管理服務(wù)允許保護模式用于攔截實(shí)模式中斷,并且掛住處理器異常。有些服務(wù)能夠和DPMI宿主合作,以維護應用程序的虛擬中斷標志。
可以用 INT31H來(lái)掛住保護模式中斷向量,以中斷方式處理外部實(shí)時(shí)事件。利用INT31H,功能0205H:設置保護模式中斷向量,將特定中斷的保護模式處理程序的地址置入中斷向量里。調用方式:AX=0205H,BL=中斷號,CX∶(E)DX=中斷處理程序選擇符:偏移值。返回:執行成功CF=清零,執行失敗CF=置位。
掛住/解掛中斷向量的時(shí)機很重要。主窗口第一次被創(chuàng )建時(shí)會(huì )傳送它WM-CREATE消息,這時(shí)是掛住中斷向量的最好時(shí)機。退出時(shí)需解掛向量,否則Windows可能崩潰。主窗口接收到WM-DE-STROY之后進(jìn)行解掛工作,是最適合的。解掛向量可先用INT35H,0204H功能將老的中斷向量保存,退出時(shí)用INT35H,0205H恢復。
五、編程實(shí)現
有了DPMI的支持,我們就可以很方便地處理數據采集、串行通信等工業(yè)過(guò)程中的實(shí)時(shí)事件。下面以Windows3.1平臺下中斷方式實(shí)現的串行通信為例,說(shuō)明中斷程序的編制和實(shí)現。為便于參考,給出了詳細的代碼。開(kāi)發(fā)平臺BC3.1/BC4.5,其本身支持0.9版的DPMI,無(wú)需運行其它支持DPMI的軟件。編程語(yǔ)言C,可與C++混合編譯。
初始化COM1,9600波特率,每字符8bits,1個(gè)停止位,中斷接收,查詢(xún)發(fā)送。
//windows asy communication
//by Li Xiuming
//last modified on June 25,1996
#include〈windows.h〉
#include〈dos.h〉
void interrupt far DataReceive();
void interrupt far (*old-vector)();
unsigned char datacom-r[1024],datacom-s[1024];
int inflag=0;
unsigned int s8259;
int InitCom1()
{ //串口1初使化
s8259=inportb(0x21); //讀入8259當前狀態(tài)并保存
outportb(0x21,s8259&0xe8); //初始化8259,允許0x0c號中斷
outportb(0x3fb,0x83);
outportb(0x3f8,0x0c);
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03);
outportb(0x3fc,0x08); //允許中斷信號送到8259A,以便能中斷
outportb(0x3f9,0x01); //0x01,中斷允許
return 1;
}
void interrupt far DataReceive()
{ //中斷接收子程序
static int i=0; //靜態(tài)局部變量
char rechar=0; //每中斷一次,i自動(dòng)加1
rechar=inportb(0x3f8); //從數據口讀出發(fā)送過(guò)來(lái)的數據
if(inflag==0)
{
if(rechar!=?s? &&i==0) //幀起始
{
i=0;
goto ll;
}
datacom-r[i++]=rechar; //存入datacom-r[](通信緩沖區)
if(rechar==?e?) //幀結束
{
inflag=1;
i=0;
}
}
ll:outportb(0x20,0x20); //回送中斷結束標志
}
//調用DPMI
//保存舊的0CH號保護模式中斷向量
//設置新的保護模式中斷服務(wù)例程
void InitCom(void)
{
asm{
cli
mov ax,204h
mov bl,0ch
int 31h
sti
}
old-vector=MK-FP(-CX,-DX);//保存
asm{ cli //設置新的0x0c中斷服務(wù)例程
mov ax,205h
mov bl,0ch
mov cx,seg datareceive
mov dx,offset datareceive
int 31h
sti
}
InitCom1();
}
//恢復8259狀態(tài)
//恢復0CH保護模式向量
void RestoreComm(void)
{
outportb(0x21,s8259);
asm{
cli
mov ax,205h
mov bl,0ch
mov cx,seg old-vector
mov dx,offset old-vector
int 31h
sti
}
}
在窗口第一次被創(chuàng )建時(shí)會(huì )傳送它WM-CREATE消息,這時(shí)調用InitCom()即可。在主窗口關(guān)閉時(shí),即主窗口中收到WM-DESTROY消息時(shí),調用RestoreComm()恢復原來(lái)的狀態(tài)。
這樣在對串口初始化,設置中斷服務(wù)例程后,通信事件發(fā)生時(shí),會(huì )立即跳入中斷子程序中執行,越過(guò)系統的消息隊列,達到實(shí)時(shí)處理通信事件的目的。而數據處理模塊可通過(guò)全局標志flag訪(fǎng)問(wèn)全局的數據通信緩沖區獲取實(shí)時(shí)數據。這種實(shí)現方式與基于消息機制的Windows通信API實(shí)現相比具有實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn),因為它超過(guò)Windows系統的兩極消息機制。
上述程序已在實(shí)際系統中得到應用。在Windows 3.1支持下,同時(shí)運行三個(gè)Windows任務(wù):服務(wù)器SERVER(內有實(shí)時(shí)串行通信,多個(gè)網(wǎng)絡(luò )數據子服務(wù)),客戶(hù)CLIENT,FOXPRO數據庫系統。整個(gè)系統運行良好。切換到WIN95平臺下(支持0.9版DPMI),系統也運行良好。
參考文獻
1 張豫夫、曹建文譯.【澳】Barry Kauler著(zhù).Windows匯編語(yǔ)言及系統程序設計.北京大學(xué)出版社,1995
2 趙人任等譯.【美】Mike Klein者.Windows程序員使用指南(一).北京:清華出版社,1995
3 劉林、陳紅編譯.80386硬件與接口技術(shù).北京:北京希望電腦公司,1991
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