虚拟设备驱动程序设计中的两个关键问题

虚拟设备驱动程序设计中的两个关键问题

在虚拟设备驱动程序(VxD)的设计中，两个尤为关键，且又令人困扰的问题是VxD 的虚拟化和VxD与应用程序间的通信机制。下面，对这两个问题作一详细的探讨。

一、VxD的虚拟化

由于Windows允许同时运行多个任务，所以出现多个进程试图同时访问同一物

理设备的情况时，如果多个应用程序通过同一个DLL驱动程序（注意和虚拟设备驱

动程序VxD的区别）访问设备，不需要对该设备虚拟化，驱动程序使之顺序访问；如果是多个Windows应用程序对相同设备同时访问，由于都运行于System VM（系统虚拟机），所以也不需要虚拟化，它们的访问将由一个驱动程序(Windows driver DLL)进行检测并使之串行化，而不是依靠VxD；如果多个VM试图访问同一

设备，由于DOS应用程序能够直接操纵硬件，所以必须对该设备进行虚拟化，一个

虚拟化设备的VxD负责可靠地检测多个VM试图访问同一设备的情况，并采取仲裁的

策略来解决这种冲突。这里可能有以下几种解决方案：

1、允许一个VM访问物理设备，同时忽略其它的VM。这是最简单的虚拟化

形式

。如VPD(Virtual Printer Device)。

2、允许一个VM访问物理设备，同时为其它的VM虚拟化设备。如VKD(Virtual Keyboard Device)分配给一个VM，并使之获得物理键盘的访问权（包括键盘中

断

在内），对其它的VM而言，VKD只向它们提供一个空的键盘缓冲区。

3、允许多个VM共享同一物理设备。尽管存在假象，但从VM的观点来看，这种

方法与独享访问一样。如VDD(Virtual Display Device)，使每一个Windows环境

下的DOS VM认为是直接写入显存，其实只是被VDD映射到了一个窗口的缓冲区。

4、VxD独立访问物理设备的同时，允许一个VM访问虚拟设备，这是最复杂的

虚拟化形式。如VCD(Virtual Com Device),VCD缓冲区接收串行数据并通过映射中

断透明地传给相应的一个VM，VM在中断处理过程中读取串口数据寄存器，这些数

据的实质是VCD缓冲区已经接收的数据。

与物理设备一样，硬件中断很多时候也必须虚拟化，这种情况更为复杂。虚拟化中断实质上就是将硬件产生的中断映射到需要它的每一个VM（不管该VM是否

正在运行），替代VxD进行服务。在这里我们给出一个虚拟化中断的VxD实例的几

个重要回调过程，并采用最简单的仲裁策略来解决访问冲突（见程序1）。

typedef struct

IRQHANDLE IrqHandle;

VMHANDLE VMOwner;

Char DeviceName[8];

BOOL bVMIsServicing;

} DEVICE_CONTEXT;

void _stdcall MaskChangHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ , BOOL bMasking )

//当一个VM在中断控制器中屏蔽或打开中断hIRQ时，VPICD调用该过程{

if ( !bMasking ) //若为打开中断

{

if ( !device.VMOwner )

{

device.VMOwner = hVM; //若无任何VM占有该中断，则将该中断的拥有权设为当前VM

}

else

{

if ( device.VMOwner != hVM )

{

device.VMOwner = SHELL_Resolve_Contention ( device.VMOwner , hVM , device.DeviceName );

//若已有VM占有该中断，则用户可通过对话框在两者间作出选择

}

}

VPICD_Physically_Unmask ( hIRQ ); //打开该物理中断

}

else

{

device.VMOwner = 0;

VPICD_Physically_Mask ( hIRQ ); //屏蔽该物理中断

}

}

BOOL _stdcall HwIntHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ )

//当中断hIRQ发生，VPICD立即调用该过程

{

if ( device.VMOwner && !device.bVMIsServicing ) //若有VM占有该中断并且不在上一次的中断处理中

{

VPICD_Set_Int_Request ( device.VMOwner , hIRQ ); //请见本例程后的讨论

}

else

......

}

return TRUE;

}

void _stdcall VirtIntHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ ) //当VPICD每次向VM模拟中断时，调用该过程

{

device.bVMIsServicing = TRUE; //设置中断处理标志

}

void _stdcall IRETHandler ( VMHANDLE hVM , IRQHANDLE hIRQ )

//当从VM的中断处理返回，执行该回调

{

device.bVMIsServicing = FALSE; //清除中断处理标志

}

（程序1）

由于中断是异步产生的，所以当VxD调用VPICD（虚拟可编程中断控制器）服

务VPICD_Set_Int_Request将该中断映射到VM时，该VM应处于执行状态。

(1)在映射的第一步，VPICD通过调用VMM（虚拟机管理器）服务

Call_Priority_VM_Event强制调度所希望的VM，使用最高的优先权（

Time_Critical_Boost）；

(2)VPICD提供一个该服务的回调，所以当VM被调度运行时，VMM即可通知VPICD；

(3)然后VPICD通过调用另一个VMM服务Simulate_Int来调整VM的运行环境。该

服务将VM的CS、IP和标志寄存器压入VM的堆栈，从VM的中断向量表IVT取出新的CS

、IP和标志寄存器，并且清除中断标志；

(4)当VPICD从回调返回，并且VMM变回V86模式时，VM便立即执行已向VPICD 注

册的中断处理过程。

编写虚拟化设备的VxD与编写非虚拟化设备的VxD有很大的不同，主要是它要

用到一组完全不同的VMM和VxD服务。实际上，现在很多为新设备所编写的VxD 根本

就不再虚拟化，因为并没有DOS或Windows应用程序直接访问这些硬件。

二、VxD与应用程序间的通信机制

由于VxD并不仅仅处理硬件，所以在大多数情形下，VxD还向应用程序提供一

个接口。通过该接口，应用程序就能够做与硬件有关的事情了。

Windows 9x具有VxD与应用程序双向通信的机制。下面叙述的应用程序均指

Win32应用程序。