Windows 中斷程序設計論文

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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,以越過系統和應用程序的消息隊列,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型工作的支持平臺,也被工業領域的工程人員所關注。但Windows3.1并非基于優先級來調度任務,無法立即響應外部事件中斷,也就不能滿足工業應用環境中實時事件處理和實時控制應用的要求。因此,如何在Windows環境中處理外部實時事件一直是技術人員尤其是實時領域工程人員所關注的問題。目前已有的方法大都采用內掛實時多任務內核的方式,如Windows下的實時控制軟件包FLX等,而iRMX實時操作系統則把Windows3.1當作它的一個任務來運行。對于大型的工程項目,開發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,以處理外部實時事件。經實際運行結果表明,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是一消息驅動式系統,見圖1。Windows消息提供了應用程序與應用程序之間、應用程序與Windows系統之間進行通訊的手段。應用程序要實現的功能由消息來觸發,并靠對消息的響應和處理來完成。

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,當一個事件發生時,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從它的消息隊列中檢索每一個消息并發送給相應的窗口函數中。一個事件的發生,到達處理它的窗口函數必需經歷上述過程。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實現時有所差別,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打破1M的屏障并且執行簡單的內存保護。它使用選擇器、描述器和描述器表控制訪問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。保護模式與實模式有許多不同。其中顯著的差異是訪問內存的機制不同。

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起到相當重要的作用。無論來自外部硬件的中斷或是內部的軟中斷INTn,在CPU中都產生同樣的響應。

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中找出服務例程的遠地址。

③CPU將此遠地址裝入CS:IP寄存器中,并開始執行服務例程。

④中斷例程總以IRET指令結束。此指令使存在堆棧中的三個值彈出并填入CS、IP和標志寄存器,CPU繼續執行原來的指令。

(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,應用程序并不使用它,Windows仍然使用,但含義已不同。

①IVT結構:IVT在RAM的0000∶0000之上,占據開始的1024字節。

它仍然由BIOS啟動例程設置,由DOS填充到RAM中。

②IDT中斷描述符表:保護模式下,Windows操作系統為實現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:偏移值結構。中斷描述器表最多可含有256個例程說明,詳細說明請見【3】。I

DT結構見圖2。

圖2

③當中斷或異常發生時,處理過程與實模式類同。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的有關信息(若必須發生任務切換的話)。CPU設法獲取中斷向量后,以它為索引值,查找IDT中的服務例程遠地址,接著將控制轉移到該處的服務例程。這是與實模式轉移到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程序的設計,它的關鍵就在于如何將服務例程的地址放入IDT中斷描述符表中。當中斷發生時,如何將斷點地址及CPU各寄存器值保護起來;中斷結束時,如何將保護的值恢復。Windows系統本身并不提供實現上述功能的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,然后基于它實現Windows下中斷服務程序的設計。

四、DOS保護模式接口DPMI

Windows除了標準服務外,還支持一組特殊的DOS服務,稱為DOS保護模式接口DPMI,由一些INT2FH和INT31H服務組成。它使應用程序能夠訪問PC系列計算機的擴充內存,同時維護系統的保護功能。DPMI通過軟件中斷31h來定義了一個新的接口,使得保護模式的應用程序能夠用它作分配內存,修改描述符以及調用實模式軟件等工作。

Windows為應用程序提供DPMI服務。即Windows是DPMI的宿主(host),應用程序是DPMI的客戶(client),可通過INT-31H調用得到DPMI服務。INT-31H本身提供多功能。其中它的中斷管理服務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/解掛中斷向量的時機很重要。主窗口第一次被創建時會傳送它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。

五、編程實現

有了DPMI的支持,我們就可以很方便地處理數據采集、串行通信等工業過程中的實時事件。下面以Windows3.1平臺下中斷方式實現的串行通信為例,說明中斷程序的編制和實現。為便于參考,給出了詳細的代碼。開發平臺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,查詢發送。

//windowsasycommunication

//byLiXiuming

//lastmodifiedonJune25,1996

#include〈windows.h〉

#include〈dos.h〉

voidinterruptfarDataReceive();

voidinterruptfar(*old-vector)();

unsignedchardatacom-r[1024],datacom-s[1024];

intinflag=0;

unsignedints8259;

intInitCom1()

{//串口1初使化

s8259=inportb(0x21);//讀入8259當前狀態并保存

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

return1;

}

voidinterruptfarDataReceive()

{//中斷接收子程序

staticinti=0;//靜態局部變量

charrechar=0;//每中斷一次,i自動加1

rechar=inportb(0x3f8);//從數據口讀出發送過來的數據

if(inflag==0)

{

if(rechar!=s&&i==0)//幀起始

{

i=0;

gotoll;

}

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例程

voidInitCom(void)

{

asm{

cli

movax,204h

movbl,0ch

int31h

sti

}

old-vector=MK-FP(-CX,-DX);//保存

asm{cli//設置新的0x0c中斷服務例程

movax,205h

movbl,0ch

movcx,segdatareceive

movdx,offsetdatareceive

int31h

sti

}

InitCom1();

}

//恢復8259狀態

//恢復0CH保護模式向量

voidRestoreComm(void)

{

outportb(0x21,s8259);

asm{

cli

movax,205h

movbl,0ch

movcx,segold-vector

movdx,offsetold-vector

int31h

sti

}

}

在窗口第一次被創建時會傳送它WM-CREATE消息,這時調用InitCom()即可。在主窗口關閉時,即主窗口中收到WM-DESTROY消息時,調用RestoreComm()恢復原來的狀態。

這樣在對串口初始化,設置中斷服務例程后,通信事件發生時,會立即跳入中斷子程序中執行,越過系統的消息隊列,達到實時處理通信事件的目的。而數據處理模塊可通過全局標志flag訪問全局的數據通信緩沖區獲取實時數據。這種實現方式與基于消息機制的Windows通信API實現相比具有實時性強的特點,因為它超過Windows系統的兩極消息機制。

上述程序已在實際系統中得到應用。在Windows3.1支持下,同時運行三個Windows任務:服務器SERVER(內有實時串行通信,多個網絡數據子服務),客戶CLIENT,FOXPRO數據庫系統。整個系統運行良好。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】BarryKauler著.Windows匯編語言及系統程序設計.北京大學出版社,1995

2趙人任等譯.【美】MikeKlein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.北京:北京希望電腦公司,1991