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Windows 中断程序设计(一)

发布时间:2019-07-08 21:14 来源:未知 编辑:admin

  Windows 中断程序设计(一) 摘要该文探讨 Windows3.1 的中断机制,并结合 DPMI 接口给出一种中断 程序设计方法,以越过系统和应用程序的消息队列,处理外部实时事件。 一、前言 Windows 提供强大的功能以及友好的图形用户界面(GUI),使得它不仅广 泛的用作管理事务型工作的支持平台,也被工业领域的工程人员所关注。 但 Windows3.1 并非基于优先级来调度任务,无法立即响应外部事件中 断,也就不能满足工业应用环境中实时事件处理和实时控制应用的要求。 因此,如何在 Windows 环境中处理外部实时事件一直是技术人员尤其是 实时领域工程人员所关注的问题。目前已有的方法大都采用内挂实时 多任务内核的方式,如 Windows 下的实时控制软件包 FLX 等,而 iRMX 实 时操作系统则把 Windows3.1 当作它的一个任务来运行。对于大型的工 程项目,开发人员可采用购买实时软件然后集成方式。 对中小项目,从投资上考虑就不很经济。如何寻找一种简明的方法来处 理外部实时事件依然显得很必要。 本文首先阐述 Windwos 的消息机制及中断机制,然后结合 DPMI 接口, 给出一种保护模式下中断程序的设计方法,以处理外部实时事件。经实 际运行结果表明,该方法具有简洁、实用、可靠的特点,并同样可运行于 Win95。 二、Windows 的消息机制 Windows 是一消息驱动式系统,见图 1。Windows 消息提供了应用程序 与应用程序之间、应用程序与 Windows 系统之间进行通讯的手段。应 用程序要实现的功能由消息来触发,并靠对消息的响应和处理来完成。 Windows 系统中有两种消息队列 ,一种是系统消息队列 ,另一种是应用 程序消息队列。计算机的所有输入设备由 Windows 监控,当一个事件发 生时,Windows 先将输入的消息放入系统消息队列中,然后再将输入的消 息拷贝到相应的应用程序队列中。应用程序中的消息循环从它的消息 队列中检索每一个消息并发送给相应的窗口函数中。一个事件的发生, 到达处理它的窗口函数必需经历上述过程。值得注意的是消息的非抢 先性,即不论事件的急与缓,总是按到达的先后排队(一些系统消息除外), 这就使得一些外部实时事件可能得不到及时的处理。 图1 三、Windows 的保护模式及中断机制 1.Windows 的保护模式 保护模式指的是线性地址由一个选择符间接生成的,该选择符指向描述 表中的某一项 ; 而 实模式中则通过一个段 / 偏移量对来直接寻址。 80386(486)CPU 提供的保护模式能力包括一个 64K 的虚拟地址空间和一 个 4G 的段尺寸。Windows3.1 实现时有所差别,它支持标准模式和增强 模式。标准模式针对 286 机器,不属本文探讨范围。增强模式是对 386 以上 CPU 而言,Windows 正是使用保护模式来打破 1M 的屏障并且执行 简单的内存保护。它使用选择器、描述器和描述器表控制访问指定内 存的位置和段。描述器表包括全局描述器表、局部描述器表、中断描 述器表。保护模式与实模式有许多不同。其中显著的差异是访问内存 的机制不同。 2.中断机制 (1)实模式中断 为了便于理解,我们先回顾实模式中断。 在实模式下,中断向量表 IVT 起到相当重要的作用。无论来自外部硬件 的中断或是内部的软中断 INTn,在 CPU 中都产生同样的响应。 ①CPU 将当前的指令指针寄存器(IP)、代码段寄存器(CS)、标志寄存器 压入堆栈。 ②然后 CPU 使用 n 值作为指向中断向量表 IVT 的索引,在 IVT 中找出服 务例程的远地址。 ③CPU 将此远地址装入 CS:IP 寄存器中,并开始执行服务例程。 ④中断例程总以 IRET 指令结束。 此指令使存在堆栈中的三个值弹出并 填入 CS、IP 和标志寄存器,CPU 继续执行原来的指令。 (2)保护模式中断 保护模式中断过程与实模式中断过程类似 , 但它不再使用中断向量表 IVT,而使用中断描述符表(IDT)。值得一提的是,Windows 运行时 IVT 还存 在,应用程序并不使用它,Windows 仍然使用,但含义已不同。 ①IVT 结构:IVT 在 RAM 的 0000∶0000 之上,占据开始的 1024 字节。 它仍然由 BIOS 启动例程设置,由 DOS 填充到 RAM 中。 ②IDT 中断描述符表:保护模式下,Windows 操作系统为实现中断机制而 建立的一个特殊表,即中断描述符表 IDT。 该表被用来保存中断服务例程 的线性地址,它们是线 位地址,没有段:偏移值结构。 中断 描述器表最多可含有 256 个例程说明,详细说明请见【3】 。I DT 结构见图 2。 图2 ③当中断或异常发生时,处理过程与实模式类同。 当前的 CS∶IP 值和标 志寄存器值被存储。保存的内容还包括 CPU 其他内部寄存器的值,以及 目前正在被执行的任务的有关信息(若必须发生任务切换的话)。CPU 设 法获取中断向量后,以它为索引值,查找 IDT 中的服务例程远地址,接着将 控制转移到该处的服务例程。 这是与实模式转移到 IVT 的不同所在。 保 护模式使用 IDTR 寄存器分配和定位内存中的 IDT 中断描述符表。IDT 在内存中是可移动的,与 IVT 固定在内存中刚好相反。 IDT 中断描述符表 在 Windows 中起决定性的作用。理解了 Windows 下保护模 式的中断机制。有助于我们理解中断服务程序的设计,它的关键就在于 如何将服务例程的地址放入 IDT 中断描述符表中。当中断发生时,如何 将断点地址及 CPU 各寄存器值保护起来;中断结束时,如何将保护的值 恢复。Windows 系统本身并不提供实现上述功能的 API,而 DOS 保护模 式接口 DPMI 正具备了上述的功能。 下面我们首先介绍 DPMI 接口,然后基于它实现 Windows 下中断服务程 序的设计。 四、DOS 保护模式接口 DPMI Windows 除了标准服务外,还支持一组特殊的 DOS 服务,称为 DOS 保护 模式接口 DPMI,由一些 INT2FH 和 INT31H 服务组成。 它使应用程序能够 访问 PC 系列计算机的扩充内存,同时维护系统的保护功能。DPMI 通过 软件中断 31h 来定义了一个新的接口,使得保护模式的应用程序能够用 它作分配内存,修改描述符以及调用实模式软件等工作。 Windows 为应用程序提供 DPMI 服务。 即 Windows 是 DPMI 的宿主(host), 应用程序是 DPMI 的客户(client),可通过 INT-31H 调用得到 DPMI 服务。 INT-31H 本身提供多功能。 其中它的中断管理服务允许保护模式用于拦 截实模式中断,并且挂住处理器异常。有些服务能够和 DPMI 宿主合作, 以维护应用程序的虚拟中断标志。 可以用 INT31H 来挂住保护模式中断向量,以中断方式处理外部实时事 件。利用 INT31H,功能 0205H:设置保护模式中断向量,将特定中断的保 护模式处理程序的地址置入中断向量里。调用方式:AX=0205H,BL=中断 号,CX∶(E)DX=中断处理程序选择符 :偏移值。返回 :执行成功 CF=清零, 执行失败 CF=置位。 挂住 / 解挂中断向量的时机很重要。主窗口第一次被创建时会传送它 WM-CREATE 消息,这时是挂住中断向量的最好时机。 退出时需解挂向量, 否则 Windows 可能崩溃。 主窗口接收到 WM-DE-STROY 之后进行解挂工 作,是最适合的。 解挂向量可先用 INT35H,0204H 功能将老的中断向量保 存,退出时用 INT35H,0205H 恢复。 五、编程实现 有了 DPMI 的支持,我们就可以很方便地处理数据采集、串行通信等工 业过程中的实时事件。下面以 Windows3.1 平台下中断方式实现的串行 通信为例,说明中断程序的编制和实现。为便于参考,给出了详细的代码。 开发平台 BC3.1/BC4.5,其本身支持 0.9 版的 DPMI,无需运行其它支持 DPMI 的软件。编程语言 C,可与 C++混合编译。 初始化 COM1,9600 波特率,每字符 8bits,1 个停止位,中断接收,查询发送。 //windowsasycommunication //byLiXiuming //lastmodifiedonJune25,1996 #include〈windows.h〉 #include〈dos.h〉 voidinterruptfarDataReceive(); voidinterruptfar(*old-vector)(); unsignedchardatacom-r1024],datacom-s1024]; intinflag=0; unsignedints8259; intInitCom1()

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