实现Windows环境下对硬件中断的控制方法

在计算机控制领域，随着硬件的发展，一些原本十分复杂的控制算法的设计和仿真变得越来越容易实现。与基于VME、MULTIBUS以及STD总线的平台相比，基于ISA总线的高性能PC工控机（IPC）无疑是近来应用最为广泛的主流产品。这主要得益于IPC与PC的软件兼容性，此外其开放性结构、外围高性能I/O模板的不断涌现以及实进工业网络的迅速发展都为IPC创造了有利的发展环境。可以说，IPC的时代已经到来。此外，在当今的计算机控制领域中，控制软件是否基于Windows平台已经成为产品是否有竞争力的重要标准之一。目前基于Windows平台的相关产品已经占据了市场份额的90%。而Windows 9X和Windows NT凭借其出色的多任务、图形用户接口（GUI）、性能优越的硬件兼容性以及卓越的32位软件环境等性能已经越来越广泛地被应用于工业控制，成为实现实时控制的优秀平台。在Windows9x（95、97、98）下，用户如果需要实现对硬件的中断、DMA或存储空间物理地址等资源进行访问，必须通过设备驱动程序来进行硬件操作；在WindowsNT下，即使是简单的I/O操作，也需要编写驱动程序方能与硬件打交道。

兼容X86指令的微机CPU运行时有4个优先级，Ring0~Ring3。操作系统与驱动程序运行在Ring0级，Ring3级，对资源控制受到一些限制。对于Ring0级的驱动程序而言，它的编写和调试要求程序开发者掌握Windows9x、NT及Windows2000的内核管理机制，对于开发人员来讲这有相当大的难度。在这里，使用美国Jungo公司出品的WinDriver工具包，在不更改程序代码的前提下，完成了在多个操作系统下对硬件中断的一致处理，很方便地解决了硬件与程序在不同系统下的移植问题。

1 Windows下硬件中断的管理机制

在多任务的环境里，硬件设备中断管理程序是非常重要的系统级程序。它不仅要把硬件发生的中断时间传给相应的驱动程序，还要允许某些设备驱动程序处理它们特殊的中断服务。在Windows平台下，VPICD（虚拟可编程中断控制器）就是这样的硬件设备管理程序，它负责管理所有的硬件中断时间。PC机的硬件中断需要确定硬件中断的IRQS（中断申请号），对一个特定的IRQ中断源，VPICD或提供缺省的中断处理函数，或允许其它VxD重载中处理函数。

VPICD提供的缺省中断处理是：首先置中断禁止，再触发相应VM中的中断处理函数。因为VPICD实现了对PPIC的虚拟化，所以当VM中的中断处理函数发送EOI（中断处理结束指令）时，VPICD即对PPIC发EOI指令。最后，VPICD控制处理函数的返回操作，恢复中断，并置VM状态为VM进入中断前的状态。当VPICD对某些中断的缺省处理不够充分或则不太合适时，就需要亲手编写一个VxD，在其中实现中断的虚拟化。VxD将决定如何处理硬件中断以及如何调用VM中的中断处理函数。

2 WinDriver工具包简介

WinDriver是美国Jungo公司出品的用于编写驱动程序的一种工具包，主要针对ISA/PCI插卡，4.2版本以后还提供了USB的开发工具。最新版本4.40版所编写的程序兼容性十分强大，包括了Windows9x、Windows NT、Windows2000、Solaris（Intel）、VxWorks（Intel）、OS/2等诸多操作平台。Windriver主要包括一个WindriverWizard、一个Windriver发行包、多个公用程序以及大量的例程。

（1）WinDriverWizard

这是一个友好的Windows向导界面。运行WinDriverWizard，然后，选择“GenerateCode”选项，WinDriverWizard会为你的插卡产生基本的程序代码。4.2版本以后还提供了多种编程语言选择，几乎包括了所有流行的编程语言，如VC4~VC6、Borland C++Builder3~4、Pascal、Delphi、Linuxmake、Solariesmake等等。这就让用户不必去学新的编程语言，很容易地直接上手。

（2）公用程序

WinDriver提供了pci_Scan、pci_dump、pci_diag、isapnp-scan、wdreg、wddebug等多个公用程序。pci_scan可以给出安装的PCI卡及系统为它们分配资源的列表；pci_dump则负责得到已安装的PCI卡的系统配置信息；pci_diag兼有两者功能；isapnp_scan为用户指出了即插即用的ISA插卡的有关信息；wdreg为用户提供了修改注册表的工具；wddebug则是一个用于调试用户程序的有效工具。

（3）大量例程

WinDriver提供了许多例程，使用者可以利用它们来产生自己驱动程序的基本框架。在WinDriver提供的在线帮助里，可以查到许多WinDriver封装好的功能函数。这些函数能够方便地实现中断处理、DMA传输、I/O操作、内存映射以及即插即用等功能。耐用对于常用的PCI桥芯片，如PLX9050、PLX9060、AMCC5933、V3、ALTERA、GT64等等，提供了特定的检测程序和相应的API函数，大大减轻了用户的编程难度。

3 WinDriver的驱动程序编程模式原理

WinDriver编程有两种模式。一种模式是用户模式，这种模式实际上不是让用户来编驱动程序，而是利用软件自身提供的驱动程序Windrvr.vxd和Windrvr.sys，用户所面对的中是驱动程序给出的相应功能接口；即使是这个接口，也用高级语言进行了很好的封装，使用十分容易。另一种模式是“核心插入”模式用KernelPlugIn方式进行编程，形成。vxd和。sys文件，。当用户有特殊的速度要求时，后者是较好的方式。

对于对操作系统内核了解不多的开发者，使用用户模式，这里要特别注意以下几个功能函数：

（1）WD-Open（）--获得驱动程序（指Windrvr.vxd或Windrvr.sys）的句柄，它实际上是调用了Create-File（）API函数，在程序开始时必须调用；

（2）WD-Close（）--释放驱动程序的句柄，它实际上是调用了CloseHandle（）API函数，在程序结束时必须调用；

（3）WD-CardRegister（）--负责插卡登记项目的建立和资源分配，资源包括I/O操作，内存分配、中断处理等。它调用了DeviceIOControl（）API函数；

（4）WD-CardUnRegister（）--负责插卡登记项目的删除和资源释放，与前者相对应，也调用了DeviceIOControl（）API函数；

（5）InterruptThreadEnable（）-中断使能，使能后可以接收中断信号，调用Interrupt_handler（）函数对中断进行相应处理。在其中集成了CreateThread（）API函数；

（6）Interrupt_handler（）-中断处理函数，开发者在这里加入自己对硬件的控制代码。

（7）InterruptThreadDisable（）-使中断无效的函数，屏蔽掉中断信号，不再对其进行处理。在其中集成了WaitForSingleObject（）和CloseHandle（）这两个API函数。

4 具体示例

下面给出一个用户模式的具体示例。用VisualC++6编译调试通过，在Windows9x和WindowsNT下系统运行良好，在Windows2000下也能够稳定运行。对于Windows9x系统，注意将windrvr.vxd拷贝到C：\Windows\System\Vmm32目录下；对于WindowsNT系统，注意将windrvr.sys拷贝到C：\WINNT\System32\DRIVERS目录下。Listen_Interupt.C程序框架如下，该程序实现了中断12的截获：

Listem_Interupt.c源程序

//应包含的头文件

#include"//include/windrvr.h"

#include"//include/windrvr_int_thread.h"

#include

//设置自己的中断号，这个例子为中断12

enum{MY_IRQ=12};

//建立全局的WinDriver包柄

HANDLE hWD;

//建立中断结构

WD_INTERRUPT Intrp;

Static char line[256];

//中断处理过程，你可以用pData来传递从InterruptThreaEnable（）得来的信息

VOID interrupt_handler（PVOID pData）

{

//在这里加入你要做的中断处理代码

prinft（'截获中断的数目为%d\n',Intrp.dwCounter）；

}

//主函数

int main（）

{

WD_CARD_REFISTER cardReg;//建立插卡登记项目的一个实例

WD_VERSION verVuf;

hWD=WD_Open（）；//获得驱动程序的句柄

if（hWD==INVALID_HANDLE_VALUE）

{

Printf（"打开WINDRVR出现错误！\n"）；

return0;

}

BZERO（verBuf）；

WD_Version（hWD,&verBuf）；

if（verBuf,dwVer

{

printf（"WINDRVR版本不正确，这里需要的版本为：%d\n",WD_VER）；

return0;

}

//初始化cardReg，这是程序的重要部分

BZERO（cardReg）；

cardReg.Card.dwItems=1;

cardReg.Card.Item[0].item=ITEM_INTERRUPT;

cardReg.Card.Item[0].fNotSharable=True;

cardReg.Card.Item [0].I,Int,dwIntrrupt=MY_IRQ;

cardReg.Card.Item[0].I.Int.dwoptions=1;

cardReg.fGhecklockOnly=True;

WD_CardReguster（hWD,&cardReg）；

if（cardReg.hCard==0）

{

prinft（'无法锁定设备！'）；

}

else

{

HANDLE thread_handle;

BZERO（Intrp）；

Intrp.hInterrupt=cardReg.Card.Item[0].I.Int.hInterrupt;

Intrp.Cmd=NULL;

Intrp.dwCmds=0;

Intrp.dwOptions=0;

printh（'开始中断线程\'）；

//这里调用WD_IntEnable（），并且建立一个中断处理的线程

if （！InterruptThreadEnable （&thread_handle,hWD,&Intrp,&interrupt_handler,NULL））

{

printf（'中断使能失败！\n'）；

}

else

{

//callyourdrivercodehere

printf（'敲回车键不再进行中断截获\n'）；

gets（line）；

//这里调用禁止截获中断的函数WD_IntDisable（）

InterruptThreadDisable（&thread_handle）；

}

//释放所登记的资源

WD_CardUnregister（hWD,&cardReg）；

}

//删除驱动程序的句柄。

WD_Close（hWD）；

return0;

}

按照本文给出的技术方案，掌握必要的Windows编程技术，即可以成功地实现Windows环境下对硬件中断的直接控制，很方便地在不同系统下进行移植。