摘 要 該文探討Windows3.1的中斷機(jī)制,并結(jié)合DPMI接口給出一種中斷程序設(shè)計(jì)方法,以越過系統(tǒng)和應(yīng)用程序的消息隊(duì)列,處理外部實(shí)時(shí)事件。

一、前言
Windows提供強(qiáng)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(shí)時(shí)事件處理和實(shí)時(shí)控制應(yīng)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)注的問題。目前已有的方法大都采用內(nèi)掛實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)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(tǒng)則把Windows3.1當(dāng)作它的一個(gè)任務(wù)來運(yùn)行。對于大型的工程項(xiàng)目,開發(fā)人員可采用購買實(shí)時(shí)軟件然后集成方式。
對中小項(xiàng)目,從投資上考慮就不很經(jīng)濟(jì)。如何尋找一種簡明的方法來處理外部實(shí)時(shí)事件依然顯得很必要。
本文首先闡述Windwos的消息機(jī)制及中斷機(jī)制,然后結(jié)合DPMI接口,給出一種保護(hù)模式下中斷程序的設(shè)計(jì)方法,以處理外部實(shí)時(shí)事件。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該方法具有簡潔、實(shí)用、可靠的特點(diǎn),并同樣可運(yùn)行于Win95。

二、Windows的消息機(jī)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(jìn)行通訊的手段。應(yīng)用程序要實(shí)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(duì)列,一種是系統(tǒng)消息隊(duì)列,另一種是應(yīng)用程序消息隊(duì)列。計(jì)算機(jī)的所有輸入設(shè)備由Windows監(jiān)控,當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí),Windows先將輸入的消息放入系統(tǒng)消息隊(duì)列中,然后再將輸入的消息拷貝到相應(yīng)的應(yīng)用程序隊(duì)列中。應(yīng)用程序中的消息循環(huán)從它的消息隊(duì)列中檢索每一個(gè)消息并發(fā)送給相應(yīng)的窗口函數(shù)中。一個(gè)事件的發(fā)生,到達(dá)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(dá)的先后排隊(duì)(一些系統(tǒng)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(hù)模式及中斷機(jī)制

1.Windows的保護(hù)模式
保護(hù)模式指的是線性地址由一個(gè)選擇符間接生成的,該選擇符指向描述表中的某一項(xiàng);而實(shí)模式中則通過一個(gè)段/偏移量對來直接尋址。80386(486)CPU提供的保護(hù)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(xiàn)時(shí)有所差別,它支持標(biāo)準(zhǔn)模式和增強(qiáng)模式。標(biāo)準(zhǔn)模式針對286機(jī)器,不屬本文探討范圍。增強(qiáng)模式是對386以上CPU而言,Windows正是使用保護(hù)模式來打破 1M的屏障并且執(zhí)行簡單的內(nèi)存保護(hù)。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(hù)模式與實(shí)模式有許多不同。其中顯著的差異是訪問內(nèi)存的機(jī)制不同。

2.中斷機(jī)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(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(yuǎn)地址。
③CPU將此遠(yuǎn)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(gè)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(hù)模式中斷
保護(hù)模式中斷過程與實(shí)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(yùn)行時(shí)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(hù)模式下,Windows操作系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)中斷機(jī)制而建立的一個(gè)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(gè)例程說明,詳細(xì)說明請見【3】。I
DT結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2
③當(dāng)中斷或異常發(fā)生時(shí),處理過程與實(shí)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(yuǎn)地址,接著將控制轉(zhuǎn)移到該處的服務(wù)例程。這是與實(shí)模式轉(zhuǎn)移到IVT的不同所在。保護(hù)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(hù)模
式的中斷機(jī)制。有助于我們理解中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì),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(shí),如何將斷點(diǎn)地址及CPU各寄存器值保護(hù)起來;中斷結(jié)束時(shí),如何將保護(hù)的值恢復(fù)。Windows系統(tǒng)本身并不提供實(shí)現(xiàn)上述功能的API,而DOS保護(hù)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(xiàn)Windows下中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)。

四、DOS保護(hù)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(hù)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(jì)算機(jī)的擴(kuò)充內(nèi)存,同時(shí)維護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能。DPMI通過軟件中斷31h來定義了一個(gè)新的接口,使得保護(hù)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(shí)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(hù)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(hù)應(yīng)用程序的虛擬中斷標(biāo)志。
可以用 INT31H來掛住保護(hù)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(shè)置保護(hù)模式中斷向量,將特定中斷的保護(hù)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(shí)機(jī)很重要。主窗口第一次被創(chuàng)建時(shí)會傳送它WM-CREATE消息,這時(shí)是掛住中斷向量的最好時(shí)機(jī)。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(fù)。

五、編程實(shí)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(shí)時(shí)事件。下面以Windows3.1平臺下中斷方式實(shí)現(xiàn)的串行通信為例,說明中斷程序的編制和實(shí)現(xiàn)。為便于參考,給出了詳細(xì)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(yùn)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(gè)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(hù)模式中斷向量
//設(shè)置新的保護(hù)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(hù)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)會傳送它WM-CREATE消息,這時(shí)調(diào)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(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(shí),會立即跳入中斷子程序中執(zhí)行,越過系統(tǒng)的消息隊(duì)列,達(dá)到實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這種實(shí)現(xiàn)方式與基于消息機(jī)制的Windows通信API實(shí)現(xiàn)相比具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn),因?yàn)樗^Windows系統(tǒng)的兩極消息機(jī)制。
上述程序已在實(shí)際系統(tǒng)中得到應(yīng)用。在Windows 3.1支持下,同時(shí)運(yùn)行三個(gè)Windows任務(wù):服務(wù)器SERVER(內(nèi)有實(shí)時(shí)串行通信,多個(gè)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行良好。切換到WIN95平臺下(支持0.9版DPMI),系統(tǒng)也運(yùn)行良好。

參考文獻(xiàn)
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