Windows 中斷程序設計

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(tǒng)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(yè)領域的工程人員所關注。但Windows3.1并非基于優(yōu)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(yè)應用環(huán)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(huán)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(tǒng)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(fā)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(tǒng),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(tǒng)之間進行通訊的手段。應用程序要實現(xiàn)的功能由消息來觸發(fā),并靠對消息的響應和處理來完成。

Windows系統(tǒng)中有兩種消息隊列,一種是系統(tǒng)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(jiān)控,當一個事件發(fā)生時,Windows先將輸入的消息放入系統(tǒng)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(huán)從它的消息隊列中檢索每一個消息并發(fā)送給相應的窗口函數(shù)中。一個事件的發(fā)生,到達處理它的窗口函數(shù)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(tǒng)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(xiàn)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(zhí)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(zhí)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(xù)執(zhí)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(jù)開始的1024字節(jié)。

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(tǒng)為實現(xiàn)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,

③當中斷或異常發(fā)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(zhí)行的任務的有關信息(若必須發(fā)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(fā)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(tǒng)本身并不提供實現(xiàn)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(xiàn)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 INT 2FH和INT 31H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(tǒng)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(zhí)行成功CF=清零,執(zhí)行失敗CF=置位。