接口軟件技術(shù)課件

1、第5章 接口軟件技術(shù) 本章的內(nèi)容有：接口概述DOS和Windows下的接口調(diào)用方法COM編程技術(shù)5.1 接口概述5.1.1 接口的功能一般來說，由于CPU在與I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)通常存在：速度不匹配，時(shí)序不匹配，信息格式不匹配信息類型不匹配接口軟件（驅(qū)動(dòng)軟件）的功能1接口初始化2分析與檢查功能調(diào)用3完成相關(guān)硬件的功能調(diào)用4異常情況的處理5.1.2 驅(qū)動(dòng)軟件的運(yùn)行方式1無條件同步方式2異步查詢方式3中斷方式無條件同步方式可在任意時(shí)刻對(duì)硬件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不必考慮硬件的接受能力這只有在硬件的執(zhí)行速度很快，在任意時(shí)機(jī)都能響應(yīng)驅(qū)動(dòng)軟件的驅(qū)動(dòng)控制時(shí)才有可能。只在非常簡(jiǎn)單或速度非常高的系統(tǒng)中才可能存在。 異

2、步查詢方式 驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該對(duì)外設(shè)硬件的狀態(tài)進(jìn)行查詢，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行硬件功能的驅(qū)動(dòng)或結(jié)果的取回。使用異步查詢方式時(shí)，外設(shè)硬件必須能根據(jù)硬件的運(yùn)行情況，將狀態(tài)送給驅(qū)動(dòng)程序，以供驅(qū)動(dòng)程序查詢。由于驅(qū)動(dòng)程序必須在程序中反復(fù)判斷外設(shè)的硬件狀態(tài)，等待硬件確定工作狀態(tài)的到來，因此程序的運(yùn)行效率不高。 返回中斷方式 驅(qū)動(dòng)程序分為兩個(gè)部分第一部分負(fù)責(zé)對(duì)外設(shè)硬件的啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)，完成之后，這部分驅(qū)動(dòng)程序就退出運(yùn)行，CPU轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他的應(yīng)用程序第二部分：中斷服務(wù)程序。透明地竊取應(yīng)用程序的極少量執(zhí)行時(shí)間。中斷運(yùn)行方式是效率最高的調(diào)用方式，但要求硬件必須有產(chǎn)生中斷源的能力，并且需要占用系統(tǒng)的一些軟、硬件中斷控制資源。5.1.

3、3 接口緩沖區(qū)1CPU中的通用寄存器適用于交互數(shù)據(jù)較少的情況，最快、最方便、最簡(jiǎn)單可靠的方式。2公用存儲(chǔ)區(qū)公用存儲(chǔ)區(qū)是由外設(shè)調(diào)用者和外設(shè)雙方都可尋址的一塊連續(xù)內(nèi)存塊，用于雙方的數(shù)據(jù)交互。3堆棧堆棧是一種后進(jìn)先出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。使用堆棧時(shí)，要特別注意棧中各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的先后次序，以及堆棧指針的設(shè)置和恢復(fù)操作。5.1.4 接口軟件及層次結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)軟件硬件層應(yīng)用軟件圖5.1接口軟件的層次接口DOSBIOS硬件層應(yīng)用軟件應(yīng)用環(huán)境驅(qū)動(dòng)軟件硬件層應(yīng)用軟件設(shè)備管理用戶空間內(nèi)核空間B） Windows的調(diào)用層次A）dos系統(tǒng)的調(diào)用層次圖5.2 設(shè)備調(diào)用層次5.2 DOS系統(tǒng)下的接口調(diào)用DOS系統(tǒng)是單用戶的操作系

4、統(tǒng)DOS系統(tǒng)提供給用戶的編程界面大體有如下幾種：裸機(jī)層軟件開發(fā)，利用芯片或板卡（適配器）支持的寄存器或內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)編程。需要用戶非常清楚設(shè)備的硬件細(xì)節(jié)，編程較復(fù)雜，但軟件實(shí)現(xiàn)速度最快。BIOS級(jí)軟件開發(fā)，利用BIOS基本輸入輸出系統(tǒng)所提供的一些服務(wù)功能編程。系統(tǒng)功能級(jí)軟件開發(fā)，利用DOS系統(tǒng)提供的系統(tǒng)功能編程。5.2.1 BIOS功能級(jí)軟件接口及實(shí)現(xiàn)1BIOS級(jí)軟件接口概述 BIOS基本輸入輸出系統(tǒng)由一批子程序組成，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)內(nèi)的輸入輸出設(shè)備直接為DOS操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)。大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)程序以軟件中斷方式調(diào)用,少數(shù)由硬件中斷調(diào)用。表5.1 常用BIOS服務(wù)功能BIOS服務(wù)功能

5、號(hào)功 能打印屏幕服務(wù)05H將當(dāng)前視頻頁(yè)內(nèi)容送到默認(rèn)打印機(jī)視頻服務(wù)10H為顯示適配器提供I/O支持軟盤服務(wù)13H提供軟盤的讀、寫、格式化、初始化、診斷硬盤服務(wù)13H提供硬盤的讀、寫、格式化、初始化、診斷串行通信服務(wù)14H為串行適配器提供字符輸入/輸出系統(tǒng)服務(wù)15H系統(tǒng)級(jí)子服務(wù)鍵盤服務(wù)16H為鍵盤提供I/O支持并行打印機(jī)服務(wù)17H為并行打印機(jī)提供I/O支持 日期時(shí)間服務(wù)1AH設(shè)置和讀取時(shí)間、日期、聲源等2視頻服務(wù)INT l0HAH寄存器選擇視頻服務(wù)功能 待寫的字符或像素值一般在AL寄存器中傳遞。功能調(diào)用保存BX、CX、DX及段寄存器的值。其他寄存器的內(nèi)容（特別是SI、DI）不保存 X坐標(biāo)（列號(hào)）在

6、CX（圖形功能）中或DL（正文功能）中傳遞 顯示頁(yè)在BH中傳遞，顯示頁(yè)從零開始計(jì)數(shù) 例如：利用BIOS視頻服務(wù)的AH=0CH子功能實(shí)現(xiàn)寫像素點(diǎn)。調(diào)用子程序之前，需要用DX保存行號(hào)，CX保存列號(hào)，AL保存顏色值，這是0CH子功能要求的。WRITINGPIXEL PROCNEARPUSHAX MOVAH，0CHINT10HPOPAXWRITINGPIXELENDP3鍵盤服務(wù)鍵盤ISR（鍵盤中斷服務(wù)程序） INT 09H硬件中斷、鍵盤DSR（鍵盤設(shè)備服務(wù)程序），INT 16H軟件中斷BIOS鍵盤服務(wù)包括3個(gè)子功能：0號(hào)功能、1號(hào)功能、2號(hào)功能 子功能號(hào) 含 義出 口 參 數(shù)AH=0從鍵盤輸入一個(gè)字符

7、AL=ASCII碼（或0）AH=掃描碼（或擴(kuò)展掃描碼）AH=1判斷鍵盤有無字符輸ZF=0 有鍵按下，鍵代碼保存在AX中ZF=1 無鍵按下AH=2當(dāng)前鍵盤特殊鍵狀態(tài)AL=KB-FLAG的變量4并行打印機(jī)服務(wù)INT 17H 0號(hào)功能（給打印機(jī)傳送個(gè)字符）1號(hào)功能（初始化打印機(jī)）2號(hào)功能（讀打印機(jī)狀態(tài)）均可通過AH返回打印機(jī)狀態(tài)字節(jié) =1，不忙，打印機(jī)可用=1，打印機(jī)表示響應(yīng)=1，打印機(jī)無紙=1，打印機(jī)選中=1，打印機(jī)出現(xiàn)超時(shí)錯(cuò)誤未定義未定義=1，打印機(jī)出錯(cuò)D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D05.2.2 DOS功能級(jí)軟件接口及調(diào)用實(shí)例1DOS功能級(jí)軟件接口調(diào)用概述主要包括：磁盤管理、內(nèi)存管

8、理、基本輸入輸出管理等。 子功能都有一個(gè)00H57H的功能編號(hào) INT 21H 00H0CH：字符I/O管理。包括鍵盤、顯示器、打印機(jī)、異步通信口的管理0DH24H：文件管理。包括復(fù)位、選擇磁盤，打開、關(guān)閉、刪除文件，順序讀、寫文件，建立文件，重命名文件，查找驅(qū)動(dòng)器分配表信息，隨機(jī)讀、寫文件，查看文件長(zhǎng)度25H26H非設(shè)備系統(tǒng)調(diào)用。包括設(shè)置中斷向量，建立新程序段27H29H文件管理。包括隨機(jī)塊讀寫、分析文件名2AH2EH非設(shè)備系統(tǒng)調(diào)用。包括讀取、設(shè)置日期、時(shí)間2FH38H擴(kuò)充的系統(tǒng)調(diào)用。包括讀取DOS版本號(hào)，終止進(jìn)程，讀取中斷矢量，讀取磁盤空閑空間39H3BH目錄組。包括建立子目錄，修改當(dāng)前目

9、錄，刪除目錄項(xiàng)3CH46H:擴(kuò)充的文件管理。包括建立、打開、關(guān)閉文件，從文件或設(shè)備讀寫數(shù)據(jù)，在指定路徑刪除、移動(dòng)文件，修改文件屬性，設(shè)備I/O控制，復(fù)制文件標(biāo)志47H取當(dāng)前目錄組。48H4BH:擴(kuò)充的內(nèi)存管理。包括分配內(nèi)存、釋放已分配的內(nèi)存、分配內(nèi)存塊、裝入或執(zhí)行程序等4CH4FH:擴(kuò)充的系統(tǒng)調(diào)用。包括終止進(jìn)程、查詢子程序的返回代碼、查找第一個(gè)相匹配的文件、查找下一個(gè)相匹配的文件50H53H:擴(kuò)充的系統(tǒng)調(diào)用。供DOS內(nèi)部使用54H57H:擴(kuò)充的系統(tǒng)調(diào)用。包括讀取校驗(yàn)狀態(tài)、重新命名文件、設(shè)置讀取日期及時(shí)間2基本I/O功能調(diào)用鍵盤輸入（1號(hào)調(diào)用）無回顯的鍵盤輸入（8號(hào)調(diào)用）控制臺(tái)輸入輸出（6號(hào)調(diào)用

10、）無回顯的控制臺(tái)輸入（7號(hào)調(diào)用）打印輸出（5號(hào)調(diào)用）輸出字符串（9號(hào)調(diào)用）輸入字符串（0AH調(diào)用）異步通信輸入輸出（3、4號(hào)調(diào)用）日期與時(shí)間的設(shè)置與獲?。?AH、2BH、2CH、2DH調(diào)用）3DOS功能調(diào)用實(shí)例MOVAX，MYDATAMOVDS，AXDISP：MOVDX，OFFSET MESSEGEMOVAH，09HINT21H;利用9號(hào)功能顯示字符串KEY：MOVDX，OFFSET PARAMETERSMOVAH，10INT21H；利用10號(hào)功能接收字符到緩沖區(qū)5.3 Windows下的接口調(diào)用5.3.1 Windows的體系結(jié)構(gòu)Win32位子系統(tǒng)虛擬設(shè)備管理層VXDIntel硬件平臺(tái)應(yīng)用軟

11、件虛擬DOS機(jī)硬件抽象層HAL多種硬件平臺(tái)應(yīng)用軟件NT系統(tǒng)管理用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)B) Windows NTA)Windows 9X圖5.4 Windows的體系結(jié)構(gòu)虛擬DOS機(jī)虛擬機(jī)管理層VMM設(shè)備驅(qū)動(dòng)層內(nèi)核Win32位子系統(tǒng)其它系統(tǒng)Win32位子系統(tǒng)5.3.2 Windows操作系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)程1Windows 9X的內(nèi)核進(jìn)程系統(tǒng)工作在基于Intel 32位CPU的硬件平臺(tái)上，運(yùn)行在32全位地址空間的保護(hù)模式下。系統(tǒng)核心進(jìn)程空間工作在CPU的最高特權(quán)級(jí)0，用戶空間工作在 CPU的低特權(quán)級(jí)3。系統(tǒng)核心進(jìn)程是由虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)層VXD和虛擬機(jī)管理層VMM構(gòu)成的 VXDVXD目的：為硬件提供多任務(wù)的支持，增強(qiáng)

12、操作系統(tǒng)對(duì)于硬件設(shè)備的適應(yīng)能力 VXD中的X是指某類設(shè)備 （鼠標(biāo)的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序稱為VMD，通過VMD就可直接驅(qū)動(dòng)鼠標(biāo)；鍵盤的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序稱為VKD ）VMM 位于虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)層VXD之上 用戶通過調(diào)用Win32的接口API函數(shù)，就可以通過VMM獲得系統(tǒng)內(nèi)核及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的功能服務(wù) 2Windows NT的內(nèi)核進(jìn)程執(zhí)行層I/O管理器（核心驅(qū)動(dòng)程序）對(duì)象管理器安全引用監(jiān)視進(jìn)程管理器局部過程調(diào)用內(nèi)存管理器CACHE管理器窗口管理器和圖形設(shè)備接口圖形設(shè)備驅(qū)動(dòng)微核層硬件抽象層硬件抽象層微核層微核是一些被操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用的微型軟件模塊微核的作用是為操作系統(tǒng)中所有低層次的通用功能提供支持，例如處理和發(fā)送

13、中斷，消息同步，存儲(chǔ)和恢復(fù)線程環(huán)境等，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)都調(diào)用了大量的微核操作來完成自己的功能 可執(zhí)行層 在可執(zhí)行層內(nèi)，除了有系統(tǒng)管理服務(wù)的分發(fā)、內(nèi)存分頁(yè)管理等操作系統(tǒng)的內(nèi)核重要模塊外，還包括一些操作系統(tǒng)的主要部件 可執(zhí)行層I/O管理器對(duì)象管理器安全引用監(jiān)視器進(jìn)程管理器局部過程凋用內(nèi)存管理器和高速緩沖管理器Win32支持部件5.3.3 Windows NT的設(shè)備驅(qū)動(dòng)調(diào)用1設(shè)備驅(qū)動(dòng)的調(diào)用過程圖5.6 Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用I/O管理器低層驅(qū)動(dòng)程序硬件平臺(tái)應(yīng)用軟件I/O系統(tǒng)服務(wù)用戶態(tài)內(nèi)核態(tài)中間層驅(qū)動(dòng)程序高層驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)存管理進(jìn)程管理Win 32子系統(tǒng)及其它管理器Win32位子系統(tǒng)IRP2設(shè)備

14、驅(qū)動(dòng)程序的接口模型 為了規(guī)范和統(tǒng)一設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的外觀和行為，使用驅(qū)動(dòng)程序的接口模型。在該模型中，每當(dāng)I/O管理器要驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行一個(gè)功能時(shí)，它就以一套特定的調(diào)用參數(shù)輸入輸出請(qǐng)求包IRP，以這個(gè)模型中的某類功能接口的入口，調(diào)用這些指定的功能。 包括如下功能：DriveEnty 驅(qū)動(dòng)程序入口 Dispatch entry point 分發(fā)入口ISR（Interrupt Service Routine） 中斷服務(wù)程序入口DPC For ISR/Custom DPC 中斷的延遲調(diào)用或定制延遲調(diào)用入口 DPC For ISR/Custom DPC 中斷的延遲調(diào)用或定制延遲調(diào)用入口。Complete Req

15、uest完成例程入口。CancelReinitializeStartIoUnloadIoTimerAdapterControlTime Dpc3Windows的用戶層進(jìn)程用戶環(huán)境層用戶程序?qū)?系統(tǒng)裝入管理系統(tǒng)目錄、文件目錄、系統(tǒng)注冊(cè)表磁盤外存儲(chǔ)器程序模塊應(yīng)用程序模塊請(qǐng)求模塊查詢裝載定位模塊裝載 模塊的動(dòng)態(tài)裝載4Windows的功能調(diào)用Windows系統(tǒng)中，對(duì)于用戶提出的設(shè)備使用請(qǐng)求，是通過調(diào)用Win32子系統(tǒng)中的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。Windows 9X與Windows NT中的Win32子系統(tǒng)并不相同，兩個(gè)子系統(tǒng)是相互獨(dú)立的 Windows NT中，Win32子環(huán)境有兩類：一類位于用戶態(tài)空間，用

16、戶態(tài)API而另一類位于內(nèi)核態(tài)空間，內(nèi)核態(tài)API 5Windows的功能調(diào)用函數(shù)API的分類及特征API分類窗口管理類API圖形設(shè)備接口類API系統(tǒng)服務(wù)類APIWindows的API函數(shù)擔(dān)負(fù)著為所有的應(yīng)用程序提供所有的服務(wù)功能。它們的主要特征是：支持多任務(wù)采用模塊化的結(jié)構(gòu)支持動(dòng)態(tài)裝載鏈接6API應(yīng)用舉例文件操作 建立文件函數(shù)CreatFile 文件打開操作函數(shù)HFILE_lopenHFILE_lopen（LPCSTR lpPathName，int iReadWrite） 文件建立操作函數(shù)HFILE_lcreat HFILE_lcreat（LPCSTR lpPathName，int iAttrib

17、ute） 移動(dòng)文件的讀寫指針函數(shù)SetFilePointDWORD SetFilePoint（HANDLE hFile，LONG iDistanceToMove，PLONG lpDistanceToMoveHigh，DWORD dwMoveMethod） 移動(dòng)文件指針操作函數(shù)LONG_llseekLONG_llseek（HFILE hFile，LONG LOffset，int LOrigin） 讀文件函數(shù)ReadFile及寫文件函數(shù)WriteFile HANDLE CreateFile（LPCTSTR lpFileName，DWORD dwDesiredAccess，DWORD dwShare

18、Mode，LPSECURITY_ATTRIBUTES lpsecurityAttributes，DWORD dwCreationDisposition，DWORD dwFlagsAndAttributrs，HADEL hTemplateFile）BOOL ReadFile（HANDLE hFile，LPVOID ipBuffer，DWORD nNumberOfByteToRead， LPDWORD lpNumberOfBytesRead，LPOVERLAPPED lpOverlapped）BOOL WriteFile（HANDLE hFile，LPCVOID lpBuffer， DWORD n

19、NumderOfBytesToWrite，LPDWORD lpNumberOfBytesWrite，LPOVERLAPPED lpOverlapped） 文件讀操作函數(shù)UINT_lread及文件寫操作函數(shù)UINT_ lwrite UINT_lread（HFILE hFile，LPVOID lpBuffer，UINT uBytes）UINT_ lwrite（HFILE hFile，LPCSTR lpBuffer，UINT uBytes） 關(guān)閉對(duì)象句柄函數(shù)CloseHandle及文件關(guān)閉操作函數(shù)HFILE_lcloseBOOL CloseHandle（HANDLE hObject）HFILE_lc

20、lose（HFILE hFile） 內(nèi)存空間分配函數(shù)GlobalAllocHGLOBAL GlobalAlloc（Uint uFlags，DWORD dwBytes） 鎖定一個(gè)全局內(nèi)存對(duì)象函數(shù)GlobalLockLPVOID GlobalLock（HGLOBAL hMem）7.API應(yīng)用舉例窗口操作主程序函數(shù)：int PASCAL WinMain（ ）；主窗口的消息處理過程函數(shù)：LRESULT CALLBACK MainWndProc（ ）；文件裝載函數(shù)：BOOL LoadBmpFile（ ）；注冊(cè)窗口：BOOL RegisterClass（ ）； 創(chuàng)建窗口： CreateWindow（ ）；

21、使窗口可見：ShowWindow（ ）；窗口更新：UpdateWindow（ ）；消息接收：GetMessage（ ）消息翻譯：TranslateMessage（ ）；消息調(diào)度：DispatchMessage（ ）；5.4 COM編程技術(shù)COM（Component Object Model，組件對(duì)象模型）作為一個(gè)真正意義上的組件，應(yīng)具備如下特征：實(shí)現(xiàn)了對(duì)開發(fā)語(yǔ)言的封裝。以二進(jìn)制形式發(fā)布。能夠在不妨礙已有用戶的情況下被升級(jí)。在網(wǎng)絡(luò)上的位置必須能夠被透明的重新分配。 5.4.1 COM對(duì)象COM是面向?qū)ο蟮能浖Ｐ停贑OM中，對(duì)象是某類組件的一個(gè)實(shí)例COM對(duì)象的應(yīng)用者應(yīng)用程序則稱為客戶每個(gè)COM

22、組件對(duì)象都擁有一個(gè)以上的接口，COM對(duì)象可通過一個(gè)或多個(gè)接口與客戶進(jìn)行交互在COM模型中，由COM對(duì)象實(shí)現(xiàn)的每一個(gè)接口，都分別由一個(gè)128位的二進(jìn)制全局統(tǒng)一標(biāo)識(shí)符GUID（Globally Unique IDentifier）來標(biāo)識(shí)。GUID是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，并不絕對(duì)保證唯一性，但發(fā)生標(biāo)識(shí)符相重的可能性非常小。從理論上講，如果一臺(tái)機(jī)器每秒產(chǎn)生10 000 000個(gè)GUID，則可保證（概率意義上）3240年不重復(fù)。 5.4.2 COM接口 下面是一個(gè)GUID的例子。54BF6567-1007-11D1-B0AA-444553540000在C/C+中可以用這樣的結(jié)構(gòu)來描述： Typedef struc

23、t_GUID DWORD Data1； WORD Data2； WORD Data3； BYTE Data48； GUID于是前面的GUID例子可以定義為extern C const GUID CLSID_MYSPELLCHECKER= 0 x54BF6567，0 x 1007，0 x 11D1，0 x B0，0 x AA，0 x 44，0 x 45，0 x 53，0 x54，0 x00，0 x00COM庫(kù)提供的API函數(shù)可產(chǎn)生GUID：HRESULT CoCreateGuid（GUID *pguid）；如果GUID創(chuàng)建成功，則函數(shù)返回S_OK，并且pguid將指向所得到的GUID值。5.4.2 COM接口 1從API到COM接口圖5.8 應(yīng)用程序A和B通過API接口共用一個(gè)字典組件應(yīng)用A或組件AAPI字典組件應(yīng)用B或組件B平面型的API接口存在以下一些問題： 當(dāng)API函數(shù)非常多時(shí)，使用非常不方便，需要對(duì)函數(shù)進(jìn)行組織。 API函數(shù)需要標(biāo)準(zhǔn)化，按照統(tǒng)一的調(diào)用方式進(jìn)行處理，以適應(yīng)不同的語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn) 2COM接口的定義和標(biāo)識(shí)圖5.9 CO