虚拟设备驱动程序的设计与实现

虚拟设备驱动程序的设计与实现

由于Windows对系统底层操作采取了屏蔽的策略，因而对用户而言，系统变得

更为安全，但这却给众多的硬件或者系统软件开发人员带来了不小的困难，因为只要应用中涉及到底层的操作，开发人员就不得不深入到Windows的内核去编写属

于系统级的虚拟设备驱动程序。Win 98与Win 95设备驱动程序的机理不尽相同，Win 98不仅支持与Windows NT 5.0兼容的WDM(Win32 Driver Mode)模式驱动程序

，而且还支持与Win 95兼容的虚拟设备驱动程序VxD(Virtual Device Driver)。下面介绍了基于Windows 9x平台的虚拟环境、虚拟设备驱动程序VxD的基本原理和

设计方法，并结合开发工具VToolsD给出了一个为可视电话音频卡配套的虚拟设备

驱动程序VxD的设计实例。

1．Windows 9x的虚拟环境

Windows 9x作为一个完整的32位多任务操作系统，它不像Window 3.x那样依

赖于MS-DOS，但为了保证软件的兼容性，Windows 9x除了支持Win16应用程序和

Win32应用程序之外，还得支持MS-DOS应用程序的运行。Windows 9x是通过虚拟机

VM(Virtual Machine)环境来确保其兼容和多任务特性的。

所谓Windows虚拟机（通常简称为Windows VM）就是指执行应用程序的虚拟环

境，它包括MS-DOS VM和System VM两种虚拟机环境。在每一个MS-DOS VM中都只运

行一个MS-DOS进程，而System VM能为所有的Windows应用程序和动态链接库DLL(Dynamic Link Libraries)提供运行环境。每个虚拟机都有独立的地址空间、寄存器状态、堆栈、局部描述符表、中断表状态和执行优先权。虽然Win16、Win32应用程序都运行在System VM环境下，但Win16应用程序共享同一地址空间，

而Win32应用程序却有自己独立的地址空间。

在编写应用程序时，编程人员经常忽略虚拟环境和实环境之间的差异，一般认为虚拟环境也就是实环境。但是，在编写虚拟设备驱动程序VxD时却不能这样做

，因为VxD的工作是向应用程序代码提供一个与硬件接口的环境，为每一个客户虚

拟机管理虚设备的状态，透明地仲裁多个应用程序，同时对底层硬件进行访问。这就是所谓虚拟化的概念。

VxD在虚拟机管理器VMM(Virtual Machine Manager)的监控下运行，而VMM 实

际上是一个特殊的VxD。VMM执行与系统资源有关的工作，提供虚拟机环境（能产

生、调度、卸载VM）、负责调度多线程占先时间片及管理虚拟内存等工作。VxD 与

VMM运行在其他任何虚拟机之外，VxD事实上就是实现虚拟机的软件的一部分。

与大多数操作系统一样，Windows也是采用层次式体系结构。VMM和VxDs

构成

了Win 95的ring0级的系统核心（应用程序运行在ring3级，ring1、ring2级未被

使用），具有系统的最高优先权。Windows还提供一些以"drv"为后缀名的驱动程

序，主要是指串行口的通信程序和并行口的打印机程序。这些程序与VxD不同，它

们是运行在ring3级上的。图1可以使你更好地理解Windows的虚拟环境。

图

2．深入理解VMM和VxD

如前所述，VxD是Virtual Device Driver的缩写，但有人将它理解为虚拟任

何驱动程序。实际上，VxD并非仅指那些虚拟化的某一具体硬件的设备驱动程序。比如某些VxD能够虚拟化设备，而某些VxD作为设备驱动程序却并不虚拟化设备，还有些VxD与设备并没有什么关系，它仅向其他的VxD或是应用程序提供服务。

VxD可以随VMM一起静态加载，也可以根据需要动态加载或卸载。正是由于VxD

与VMM之间的紧密协作，才使得VxD具有了应用程序所不具备的能力，诸如可以不

受限制地访问硬件设备、任意查看操作系统数据结构（如描述符表、页表等）、访问任何内存区域、捕获软件中断、捕获I/O端口操作和内存访问等，甚至还可以

截取硬件中断。

尽管VxD使用32位平面存储模式(flat memory model)，但它的代码和数据仍

使用分段管理，段有六种类型，即实模式初始化、保护模式初始化、可分页、不可分页、静态和只调试(debug only)，每种类型又有代码段和数据段之分，所以VxD共有12个段。实模式代码段和数据段为16位（分段模式），其他段则是32位（

平面模式）。“实模式初始化”段包含了在Windows初始化过程的最初阶段VMM 变

为保护模式之前要执行的代码。静态加载的VxD此时可以查看Windows启动前的实

模式环境，决定是否继续加载，并通知VMM。加载完毕后，VMM进入保护模式并执

行保护模式初始化代码，同样将执行结果再通知VMM。初始化完成后，“实模式初

始化”段和“保护模式初始化”段即被遗弃。VxD的大部分代码都在其他的某一段

中，“可分页”段允许虚拟存储管理器(Virtual Memory Manager)进行分页管理，大多数的VxD代码都应当在“可分页”段。“不可分页”段的内容主要包括：VxD的主入口点、硬件中断处理函数、所访问的数据以及能被另一个VxD中断处理

函数调用的异步服务。“静态”段仅用于可以动态加载的VxD，当VxD卸载后，静

态代码段和数据段都保留在内存中。“只调试”段只是VMM在Soft-ICE for Win 95等调试环境下才将其载入。

VMM是通过VxD的设备描述符块DDB(Device Descriptor Block)来识别的。DDB

向VMM提供了VxD的主入口点，还向应用程序和其他的VxD提供了入口点。VMM 利用

这个主入口点将VM及Windows自身的状态通知给VxD，然后VxD通过相应的工

作来响

应这些事件。由于VxD不仅仅服务于一个物理设备（比如多个串口）或仅与一个VM

发生联系，所以VxD需要产生自己支持的数据结构(Supporting Data Structures)

来保存每一个设备、每一个VM的配置和状态信息。VxD用一个或多个设备上下

文结

构来保存设备信息，如I/O端口基地址、中断向量等，VxD将自己的每个VM的

状态

信息保存在VMM的VM控制块中。

VMM提供的服务包括：事件服务、内存管理服务、兼容执行和保护模式执行的

服务、登录表服务、调度程序服务、同步服务、调试服务、I/O捕获服务、处理错

误和中断服务、VM中断和回调服务、配置管理程序服务以及其他杂项服务。

以上内容仅涉及到VxD设计的一小部分，作为VxD的开发人员必须掌握更多的

知识。首先是操作系统的知识，如地址空间、执行上下文、资源加锁、进程间通信和异步事件处理等方面的知识；其次，对Intel处理器应有较深入的理解，包括

寄存器、机器指令集、保护机制、分页机制，以及虚拟8086模式；最后，还必须

熟悉VMM提供的各类服务和接口，熟悉Windows其他的系统VxD。

3．开发工具VToolsD简介