Работа с портами под Win95, обзор и теория

Вступление

Предполагалось, что данный материал будет небольшой лекцией, посвящающей вас в технологию работы с последовательными портами под различными платформами. Но это не так, поскольку материала для этой лекции хватит на десятка два советов. Поэтому коротенько так, кратенько, небольшое вступление...

Проблема

Под MS-DOS приложение управляет всем компьютером. Это развязывало программисту руки. Достижение максимальной скорости работы осуществлялось непосредственным доступом к аппаратным средствам.

Под Windows 3.x эта свобода отчасти была ограничена. К примеру вы уже не имели полный доступ к экрану. Проблема объясняется легко: с тех пор, как пользователь мог запускать любое количество приложений, не было никакой гарантии, что приложения не получали одновременно те же самые аппаратные средства.

Другая проблема - вы уже должны были считаться с параллельно запущенными задачами, а не требовать у компьютера в свое распоряжение все ресурсы. Win 3.x осуществляет кооперацию параллельных задач, означая, что каждое приложение должно исходить из концепции совместного существования и не монополизировать ресурсы, а пользоваться услугами специализированного диспетчера. Захват CPU на длительное время здесь не приветствуется.

Но тем не менее монополизированный доступ к аппаратным средствам также возможен, но вся ответственность за работу других приложений ложится на программиста. Получается борьба вашего приложения с системой: если вы захватываете все рабочее время CPU, контроль над портами или работу с памятью, то система милостиво ждет, пока вы не отдадите бразды правления в ее руки, при этом другие приложения (если они не успели это сделать до вас) могут ругаться, выплевывать на экран грязные ругательства и пугать не в чем не повинного пользователя.

Факт, но тенденция отбивания рук от прямого доступа к железу победила на платформе Win32 (Windows NT и Windows 95). Это операционные системы с истинной многозадачностью. Каждый поток (выполняемый модуль) получает определенный квант процессорного времени. Когда лимит процессорного времени исчерпан, или появляется поток с более высоким приоритетом, система прекращает обслуживать первый поток, даже в случае, если он не завершен. Это переключение между потоками может произойти между двумя ассемблерными инструкциями, нет никакой гарантии, что поток сможет завершить определенное количество инструкций, прежде чем у него отнимут процессорное время, к тому же неизвестно как долго ждать следующей порции процессорного времени.

Это приводит к проблеме с прямым доступом к аппаратным средствам. Например, типичное чтение из порта формируется из нескольких ассемблерных инструкций:

mov dx, AddressPort
mov al, Address
out dx, al
jmp Wait
Wait:
mov dx, DataPort
in al, dx

Состояние всех регистров при переключении потоков сохраняется, состояние I/O портов (последовательные порты, порты ввода/вывода) - нет. Так, велика вероятность что другие приложения производят другие операции с I/O портом, в то время как вы "застряли" между инструкциями 'out' и 'in'.

Документированный путь

Для решения этой проблемы мы должны как-то сообщить всем другим приложениям, что "К настоящему времени MyProg использует порт 546, и всем оставаться на своих местах до моего особого распоряжения." В этом случае подешел бы мьютекс. К сожалению, для использования созданного мьютекса все приложения должны знать его имя. Но даже если бы это было возможно, вы легко можете наткнуться на другие заковыристые проблемы. Рассмотрим два приложения - App1 и App2. Оба пытаются выполнить вышеприведенный код. К несчастью, они созданы разными программистами с разным взглядом на технологию доступа, поэтому App1 сначала требует AddressPortMutex, в то время как App2 требует DataPortMutex. И, по печальному совпадению, когда App1 получает AddressPortMutex, система переключается на App2, которое захватывает DataPortMutex и получается праздник смертельного объятия. App2 не может получить адрес порта, т.к. его захватило App1. App1 не может получить данные порта, т.к. это захватило App2. И все чего-то ждут...

Правильное решение - создание драйвера устройства, которой единолично владеет портами/памятью. Доступ к аппаратным средствам осуществляется посредством API. Вот типичный вызов:

GetIOPortData(AddressPort, DataPort : word) : Byte; 

GetIOPortData сначала создает мьютекс, который защищает от вторжения (возможно все) порты, затем дает доступ к портам и, наконец, уничтожает его перед возвратом в вызвавшему функцию оператору. В случае, когда функцию пытаются вызвать несколько потоков, управление получает только один, остальные в это время ждут.

Создание драйвера устройства дело нелегкое. Он должен быть создать с помощью ассемблера или C и невероятно труден в отладке. Более того, из-за соображений безопасности драйверы устройств для Windows 95 (VxD) не совместимы с драйверами для Windows NT (VDD, virtual device driver - виртуальный драйвер устройства). Говорят, что в будущих версиях они будут совместимы, и Windows NT 6.0 и Windows 2000 будут использовать одни и те же драйвера, но пока разработчики вынуждены заниматься созданием двух различных версий.

Для получения более подробной информации рекомендую обратиться к следующим ресурсам:

Microsoft Windows 95 Device Driver Kit

Microsoft Windows NT Device Driver Kit

Microsoft Press "Systems Programming for Windows 95" автора Walter Oney

Также вы можете ознакомиться с библиотекой Vireo VtoolsD на предмет написания VxD в C, расположенной по адресу http://www.vireo.com.

Недокументированный путь

Вышеуказанная проблема не слишком реальна. Приложение, которое имеет непосредственный доступ к аппаратным средствам, обычно использует некоторые специализированные аппаратные средства. Конфигурация типа той, которая стремиться запустить только одно приложение имеет единственную цель - получить монопольный доступ к этим аппаратным средствам. В этом случае создание драйверов устройств очень нерентабельно. В конце концов, причина хотя бы в том, что это работает под Windows, что можно получить свободно (почти) классный GUI, а не в том, чтобы 10 приложений работало одновременно.

К счастью, в Windows 95 заложена совместимость с Windows 3.x. Это означает, что директивное использование I/O портов также возможно, поскольку до сих пор находятся в эксплуатации множество 16-битных программ, которые просто не могут работать по другому. Просто в этом случае при кодировании вам придется спуститься до уровня ассемблера. Автор следующего кода Arthur Hoornweg:

function
 getport(p:word):byte; stdcall
;
begin

  asm

    push edx
    push eax
    mov  dx,p
    in
   al,dx
    mov  @result,al
    pop  eax
    pop  edx
  end
;
end
;



Procedure
 Setport(p:word;b:byte);Stdcall
;
begin

  asm

    push edx
    push eax
    mov dx,p
    mov al,b
    out
 dx,al
    pop  eax
    pop  edx
  end
;
end
;

François Piette также предлагает свое решение прямого доступа к портам I/O на страничке http://rtfm.netline.be/fpiette/portiofr.htm

Как насчет NT?

Но все вышесказанное под Windows NT работать не будет. NT более "прочная" операционная система, поэтому если она позволит в любое время кому попало обращаться к любым аппаратным средствам, она не была бы такой устойчивой. Кроме того, NT является кроссплатформенной системой, поэтому доступ к I/O портам может кардинально различаться при работе на различных процессорах.

Но тем не менее даже под NT можно добраться непосредственно до I/O портов, правда только на x86 процессорах. Это не является документированной особенностью, и, вероятно, исчезнет в будущих версиях этой операционной системы.

Я не обладаю достаточно полной информацией по этому вопросу, но интересующая нас статья D. Roberts в майском номере журнала Dr. Dobb's Journal за 1996 год так и называется "Direct Port I/O and Windows NT." К сожалению, я так и не нашел времени проверить приведенный там код. Статью и посвященный ей флейм вы можете почитать по адресу http://www.ddj.com.

Также рекомендую ознакомиться с опубликованной в Windows Developer Journal статьей "Port I/O under Windows." Опубликована Karen Hazzah в июне 1996 года. Статью и посвященный ей флейм вы можете найти по адресу http://www.wdj.com.

Ресурсы

(Примечание, я не очень много знаю об этих ресурсах, проверьте их пожалуйста сами.)

Существуют новостные группы, посвященные написанию VxD и VDD:

Dejanews (http://www.dejanews.com) выдает достаточно много результатов, если для поиска задать фразу 'device driver direct I/O access 95'.

Компания BlueWater Systems разработала OCX, осуществляющее прямой доступ к I/O портам, памяти и прерываниям, работающее под всеми Win32 платформами. Они также, кажется, предлагают изготовление драйверов устройств под заказ. Посмотрите их сервер по адресу http://www.bluewatersystems.com.

Я сляшал, что какая-то другая компания также рекламировала свои услуги в области разработчики VxD, но я не нашел их адреса.

Другое по теме:

• Порты
• Получить имена свободных com портов
• Печать Dos-файла в порт напрямую