Windows 中斷程序設(shè)計

要 該文探討Windows3.1的中斷機制,并結(jié)合DPMI接口給出一種中斷程序設(shè)計方法,以越過系統(tǒng)和應(yīng)用程序的消息隊列,處理外部實時事件。

一、前言

Windows提供強大的功能以及友好的圖形用戶界面(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)先級來調(diào)度任務(wù),無法立即響應(yīng)外部事件中斷,也就不能滿足工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中實時事件處理和實時控制應(yīng)用的要求。因此,如何在Windows環(huán)境中處理外部實時事件一直是技術(shù)人員尤其是實時領(lǐng)域工程人員所關(guān)注的問題。目前已有的方法大都采用內(nèi)掛實時多任務(wù)內(nèi)核的方式,如Windows下的實時控制軟件包FLX等,而iRMX實時操作系統(tǒng)則把Windows3.1當(dāng)作它的一個任務(wù)來運行。對于大型的工程項目,開發(fā)人員可采用購買實時軟件然后集成方式。

對中小項目,從投資上考慮就不很經(jīng)濟。如何尋找一種簡明的方法來處理外部實時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(jié)合DPMI接口,給出一種保護模式下中斷程序的設(shè)計方法,以處理外部實時事件。經(jīng)實際運行結(jié)果表明,該方法具有簡潔、實用、可靠的特點,并同樣可運行于Win95。

二、Windows的消息機制

Windows是一消息驅(qū)動式系統(tǒng),見圖1。Windows消息提供了應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間、應(yīng)用程序與Windows系統(tǒng)之間進行通訊的手段。應(yīng)用程序要實現(xiàn)的功能由消息來觸發(fā),并靠對消息的響應(yīng)和處理來完成。

Windows系統(tǒng)中有兩種消息隊列,一種是系統(tǒng)消息隊列,另一種是應(yīng)用程序消息隊列。計算機的所有輸入設(shè)備由Windows監(jiān)控,當(dāng)一個事件發(fā)生時,Windows先將輸入的消息放入系統(tǒng)消息隊列中,然后再將輸入的消息拷貝到相應(yīng)的應(yīng)用程序隊列中。應(yīng)用程序中的消息循環(huán)從它的消息隊列中檢索每一個消息并發(fā)送給相應(yīng)的窗口函數(shù)中。一個事件的發(fā)生,到達處理它的窗口函數(shù)必需經(jīng)歷上述過程。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(tǒng)消息除外),這就使得一些外部實時事件可能得不到及時的處理。

圖1

三、Windows的保護模式及中斷機制

1.Windows的保護模式

保護模式指的是線性地址由一個選擇符間接生成的,該選擇符指向描述表中的某一項;而實模式中則通過一個段/偏移量對來直接尋址。80386(486)CPU提供的保護模式能力包括一個64K的虛擬地址空間和一個4G的段尺寸。Windows3.1實現(xiàn)時有所差別,它支持標(biāo)準(zhǔn)模式和增強模式。標(biāo)準(zhǔn)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打破 1M的屏障并且執(zhí)行簡單的內(nèi)存保護。它使用選擇器、描述器和描述器表控制訪問指定內(nèi)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。保護模式與實模式有許多不同。其中顯著的差異是訪問內(nèi)存的機制不同。

2.中斷機制

(1)實模式中斷

為了便于理解,我們先回顧實模式中斷。

在實模式下,中斷向量表IVT起到相當(dāng)重要的作用。無論來自外部硬件的中斷或是內(nèi)部的軟中斷INTn,在CPU中都產(chǎn)生同樣的響應(yīng)。

①CPU將當(dāng)前的指令指針寄存器(IP)、代碼段寄存器(CS)、標(biāo)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,并開始執(zhí)行服務(wù)例程。

④中斷例程總以IRET指令結(jié)束。此指令使存在堆棧中的三個值彈出并填入CS、IP和標(biāo)志寄存器,CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的指令。

(2)保護模式中斷

保護模式中斷過程與實模式中斷過程類似,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IVT還存在,應(yīng)用程序并不使用它,Windows仍然使用,但含義已不同。

①IVT結(jié)構(gòu):IVT在RAM的0000∶0000之上,占據(jù)開始的1024字節(jié)。

它仍然由BIOS啟動例程設(shè)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(tǒng)為實現(xiàn)中斷機制而建立的一個特殊表,即中斷描述符表IDT。該表被用來保存中斷服務(wù)例程的線性地址,它們是真正的24位或32位地址,沒有段:偏移值結(jié)構(gòu)。中斷描述器表最多可含有256個例程說明,

③當(dāng)中斷或異常發(fā)生時,處理過程與實模式類同。當(dāng)前的CS∶IP值和標(biāo)志寄存器值被存儲。保存的內(nèi)容還包括CPU其他內(nèi)部寄存器的值,以及目前正在被執(zhí)行的任務(wù)的有關(guān)信息(若必須發(fā)生任務(wù)切換的話)。CPU設(shè)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,接著將控制轉(zhuǎn)移到該處的服務(wù)例程。這是與實模式轉(zhuǎn)移到IVT的不同所在。保護模式使用IDTR寄存器分配和定位內(nèi)存中的IDT中斷描述符表。IDT在內(nèi)存中是可移動的,與IVT固定在內(nèi)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(shè)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(dāng)中斷發(fā)生時,如何將斷點地址及CPU各寄存器值保護起來;中斷結(jié)束時,如何將保護的值恢復(fù)。Windows系統(tǒng)本身并不提供實現(xiàn)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,然后基于它實現(xiàn)Windows下中斷服務(wù)程序的設(shè)計。

四、DOS保護模式接口DPMI

Windows除了標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)外,還支持一組特殊的DOS服務(wù),稱為DOS保護模式接口DPMI,由一些 INT 2FH和INT 31H服務(wù)組成。它使應(yīng)用程序能夠訪問PC系列計算機的擴充內(nèi)存,同時維護系統(tǒng)的保護功能。DPMI通過軟件中斷31h來定義了一個新的接口,使得保護模式的應(yīng)用程序能夠用它作分配內(nèi)存,修改描述符以及調(diào)用實模式軟件等工作。

Windows為應(yīng)用程序提供DPMI服務(wù)。即Windows是DPMI 的宿主(host),應(yīng)用程序是DPMI的客戶(client),可通過INT-31H調(diào)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(yīng)用程序的虛擬中斷標(biāo)志。

可以用 INT31H來掛住保護模式中斷向量,以中斷方式處理外部實時事件。利用INT31H,功能0205H:設(shè)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(diào)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(zhí)行成功CF=清零,執(zhí)行失敗CF=置位。

掛住/解掛中斷向量的時機很重要。主窗口第一次被創(chuàng)建時會傳送它WM-CREATE消息,這時是掛住中斷向量的最好時機。退出時需解掛向量,否則Windows可能崩潰。主窗口接收到WM-DE-STROY之后進行解掛工作,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,退出時用INT35H,0205H恢復(fù)。

五、編程實現(xiàn)

有了DPMI的支持,我們就可以很方便地處理數(shù)據(jù)采集、串行通信等工業(yè)過程中的實時事件。下面以Windows3.1平臺下中斷方式實現(xiàn)的串行通信為例,說明中斷程序的編制和實現(xiàn)。為便于參考,給出了詳細的代碼。開發(fā)平臺BC3.1/BC4.5,其本身支持0.9版的DPMI,無需運行其它支持DPMI的軟件。編程語言C,可與C++混合編譯。

初始化COM1,9600波特率,每字符8bits,1個停止位,中斷接收,查詢發(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(dāng)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自動加1

rechar=inportb(0x3f8); //從數(shù)據(jù)口讀出發(fā)送過來的數(shù)據(jù)

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(qū))

if(rechar==?e?) //幀結(jié)束

{

inflag=1;

i=0;

}

}

ll:outportb(0x20,0x20); //回送中斷結(jié)束標(biāo)志

}

//調(diào)用DPMI

//保存舊的0CH號保護模式中斷向量

//設(shè)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(shè)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(fù)8259狀態(tài)

//恢復(fù)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)建時會傳送它WM-CREATE消息,這時調(diào)用InitCom()即可。在主窗口關(guān)閉時,即主窗口中收到WM-DESTROY消息時,調(diào)用RestoreComm()恢復(fù)原來的狀態(tài)。

這樣在對串口初始化,設(shè)置中斷服務(wù)例程后,通信事件發(fā)生時,會立即跳入中斷子程序中執(zhí)行,越過系統(tǒng)的消息隊列,達到實時處理通信事件的目的。而數(shù)據(jù)處理模塊可通過全局標(biāo)志flag訪問全局的數(shù)據(jù)通信緩沖區(qū)獲取實時數(shù)據(jù)。這種實現(xiàn)方式與基于消息機制的Windows通信API實現(xiàn)相比具有實時性強的特點,因為它超過Windows系統(tǒng)的兩極消息機制。

上述程序已在實際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在Windows 3.1支持下,同時運行三個Windows任務(wù):服務(wù)器SERVER(內(nèi)有實時串行通信,多個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)子服務(wù)),客戶CLIENT,FOXPRO數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。整個系統(tǒng)運行良好。切換到WIN95平臺下(支持0.9版DPMI),系統(tǒng)也運行良好。

參考文獻

1 張豫夫、曹建文譯.【澳】Barry Kauler著.Windows匯編語言及系統(tǒng)程序設(shè)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