摘 要 該文探討Windows3.1的中斷機制,並結合DPMI接口給出一種中斷程序設計方法,以越過系統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介面(GUI),使得它不僅廣泛的用作管理事務型工作的支援平臺,也被工業領域的工程人員所關注。但Windows3.1並非基於優先級來調度任務,無法立即響應外部事件中斷,也就不能滿足工業應用環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採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實時操作系統則把Windows3.1當作它的一個任務來執行。對於大型的工程項目,開發人員可採用購買實時軟件然後集成方式。
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,然後結合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。經實際執行結果表明,該方法具有簡潔、實用、可靠的特點,並同樣可執行於Win95。
二、Windows的消息機制
Windows是一消息驅動式系統,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系統之間進行通訊的手段。應用程序要實現的功能由消息來觸發,並靠對消息的響應和處理來完成。
Windows系統中有兩種消息隊列,一種是系統消息隊列,另一種是應用程序消息隊列。計算機的所有輸入設備由Windows監控,當一個事件發生時,Windows先將輸入的消息放入系統消息隊列中,然後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從它的消息隊列中檢索每一個消息併發送給相應的視窗函數中。一個事件的發生,到達處理它的視窗函數必需經歷上述過程。值得注意的是消息的非搶先性,即不論事件的急與緩,總是按到達的先後排隊(一些系統消息除外),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
ows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;而實模式中則透過一個段/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實現時有所差別,它支援標準模式和增強模式。標準模式針對286機器,不屬本文探討範圍。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的屏障並且執行簡單的內存保護。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
爲了便於理解,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)、標誌寄存器壓入堆棧。
②然後CPU使用n值作爲指向中斷向量表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,並開始執行服務例程。
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並填入CS、IP和標誌寄存器,CPU繼續執行原來的指令。
(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執行時IVT還存在,應用程序並不使用它,Windows仍然使用,但含義已不同。
①IVT結構:IVT在RAM的0000∶0000之上,佔據開始的1024字節。
它仍然由BIOS啓動例程設定,由DOS填充到RAM中。
②IDT 中斷描述符表:保護模式下,Windows操作系統爲實現中斷機制而建立的一個特殊表,即中斷描述符表IDT。該表被用來儲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,詳細說明請見【3】。I
DT結構見圖2。
圖2
③當中斷或異常發生時,處理過程與實模式類同。當前的CS∶IP值和標誌寄存器值被存儲。儲存的內容還包括CPU其他內部寄存器的值,以及目前正在被執行的'任務的有關資訊(若必須發生任務切換的話)。CPU設法獲取中斷向量後,以它爲索引值,查找IDT中的服務例程遠地址,接着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。有助於我們理解中斷服務程序的設計,它的關鍵就在於如何將服務例程的地址放入IDT中斷描述符表中。當中斷髮生時,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系統本身並不提供實現上述功能的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,然後基於它實現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,還支援一組特殊的DOS服務,稱爲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,同時維護系統的保護功能。DPMI透過軟件中斷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爲應用程序提供DPMI服務。即Windows是DPMI 的宿主(host),應用程序是DPMI的客戶(client),可透過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於攔截實模式中斷,並且掛住處理器異常。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誌。
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:設定保護模式中斷向量,將特定中斷的保護模式處理程序的地址置入中斷向量裏。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:執行成功CF=清零,執行失敗CF=置位。
掛住/解掛中斷向量的時機很重要。主視窗第一次被創建時會傳送它WM-CREATE消息,這時是掛住中斷向量的最好時機。退出時需解掛向量,否則Windows可能崩潰。主視窗接收到WM-DE-STROY之後進行解掛工作,是最適合的。解掛向量可先用INT35H,0204H功能將老的中斷向量儲存,退出時用INT35H,0205H恢復。