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Windows 中断程序设计

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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,它们是真正的24位或32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 INT 2FH和INT 31H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。
//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); //读入8259当前状态并保存
outportb(0x21,s8259&0xe8); //初始化8259,允许0x0c号中断
outportb(0x3fb,0x83);
outportb(0x3f8,0x0c);
outportb(0x3f9,0x00);
outportb(0x3fb,0x03);
outportb(0x3fc,0x08); //允许中断信号送到8259A,以便能中断
outportb(0x3f9,0x01); //0x01,中断允许
return 1;
}
void interrupt far DataReceive()
{ //中断接收子程序
static int i=0; //静态局部变量
char rechar=0; //每中断一次,i自动加1
rechar=inportb(0x3f8); //从数据口读出发送过来的数据
if(inflag==0)
{
if(rechar!=?s? &&i==0) //帧起始
{
i=0;
goto ll;
}
datacom-r[i++]=rechar; //存入datacom-r[](通信缓冲区)
if(rechar==?e?) //帧结束
{
inflag=1;
i=0;
}
}
ll:outportb(0x20,0x20); //回送中断结束标志
}
//调用DPMI
//保存旧的0CH号保护模式中断向量
//设置新的保护模式中断服务例程
void InitCom(void)
{
asm{
cli
mov ax,204h
mov bl,0ch
int 31h
sti
}
old-vector=MK-FP(-CX,-DX);//保存
asm{ cli //设置新的0x0c中断服务例程
mov ax,205h
mov bl,0ch
mov cx,seg datareceive
mov dx,offset datareceive
int 31h
sti
}
InitCom1();
}
//恢复8259状态
//恢复0CH保护模式向量
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
}
}
在窗口第一次被创建时会传送它WM-CREATE消息,这时调用InitCom()即可。在主窗口关闭时,即主窗口中收到WM-DESTROY消息时,调用RestoreComm()恢复原来的状态。
这样在对串口初始化,设置中断服务例程后,通信事件发生时,会立即跳入中断子程序中执行,越过系统的消息队列,达到实时处理通信事件的目的。而数据处理模块可通过全局标志flag访问全局的数据通信缓冲区获取实时数据。这种实现方式与基于消息机制的Windows通信API实现相比具有实时性强的特点,因为它超过Windows系统的两极消息机制。
上述程序已在实际系统中得到应用。在Windows 3.1支持下,同时运行三个Windows任务:服务器SERVER(内有实时串行通信,多个网络数据子服务),客户CLIENT,FOXPRO数据库系统。整个系统运行良好。切换到WIN95平台下(支持0.9版DPMI),系统也运行良好。

参考文献
1 张豫夫、曹建文译.【澳】Barry Kauler著.Windows汇编语言及系统程序设计.北京大学出版社,1995
2 赵人任等译.【美】Mike Klein者.Windows程序员使用指南(一).北京:清华出版社,1995
3 刘林、陈红编译.80386硬件与接口技术.北京:北京希望电脑公司,1991


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