引 言

Windows CE是一個(gè)32位、多任務(wù)、多線程的嵌入式操作系統(tǒng)，是微軟專門為信息設(shè)備、移動(dòng)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、嵌入式應(yīng)用等非PC領(lǐng)域設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，在外觀和使用的感覺上十分接近桌面Windows系統(tǒng)。它使用平面內(nèi)存模式尋址，可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序并支持一個(gè)程序中的多個(gè)線程，并且非常精煉，只有很小的內(nèi)存要求。與基于PC的操作系統(tǒng)不同，Windows CE不需要標(biāo)準(zhǔn)硬件，反而支持各種各樣的CPU(如X86、PowerPC、ARM、MIPS等)，通過OEM適配層(OEM adaptation layer)可以把Windows CE適配到任何硬件平臺。Windows CE是微軟Windows操作系統(tǒng)家族的一個(gè)成員，支持用于Windows 2000／XP和Windows 98等桌面Windows操作系統(tǒng)的Win32 API的一個(gè)子集。由于它不是桌面Windows操作系統(tǒng)的一部分或縮減版本，使得開發(fā)Windows CE的驅(qū)動(dòng)程序與開發(fā)桌面Windows的驅(qū)動(dòng)程序有所不同。本文將著重討論這些區(qū)別，以使廣大熟悉桌面Windows驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的程序員能快速掌握嵌入式操作系統(tǒng)WindowsCE驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)方法。

1 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型比較

在桌面Windows系統(tǒng)，以支持Windows2000／XP的WDM驅(qū)動(dòng)模型為例。WDM體系結(jié)構(gòu)實(shí)行分層處理，即設(shè)備驅(qū)動(dòng)被分成了若干層——最高層驅(qū)動(dòng)程序、中間層驅(qū)動(dòng)程序、最低層驅(qū)動(dòng)程序，如圖1所示。

 

在Windows CE驅(qū)動(dòng)中，按驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)可以分為兩種類型——分層式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和整體式驅(qū)動(dòng)程序，如圖2所示。分層式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由上層和下層兩部分代碼組成。上層的程序叫做模型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(MDD)，下層的程序則叫做平臺相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序(PDD)。整體式驅(qū)動(dòng)程序的源代碼由中斷服務(wù)線程代碼和針對平臺的代碼組成。

同桌面Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型相比，Windows CE設(shè)備驅(qū)動(dòng)相對簡單一些。正如圖1和圖2所示，兩種操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)雖然存在許多相似的地方，都采用了模塊、分層的設(shè)計(jì)方法，但是還存在許多不同的地方。在Windows CE操作系統(tǒng)中，分層的驅(qū)動(dòng)程序并不適用于所用的驅(qū)動(dòng)，尤其是將驅(qū)動(dòng)程序分為兩層將會導(dǎo)致在驅(qū)動(dòng)程序操作時(shí)附加的功能調(diào)用，這無疑會降低驅(qū)動(dòng)程序的效率。對于時(shí)間或性能關(guān)鍵的實(shí)時(shí)操作，整體式驅(qū)動(dòng)程序?qū)�會更適合。



在桌面Windows系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)各層通信之間使用一種稱為I／O請求包(IRP)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行通信。影響到設(shè)備的每個(gè)操作都使用I／O請求包，采用層次結(jié)構(gòu)可以使I／O請求過程更加明了。I／O管理器發(fā)送IRP來請求驅(qū)動(dòng)程序的處理，通常IRP由分層的驅(qū)動(dòng)程序棧來處理，高層的驅(qū)動(dòng)程序把請求劃分成更簡單的請求并傳遞給下層驅(qū)動(dòng)程序。IRP首先被送到設(shè)備堆棧的最上層驅(qū)動(dòng)程序，然后逐漸過濾到下層的驅(qū)動(dòng)程序。每一層驅(qū)動(dòng)程序都可以決定如何處理IRP。而Windows CE驅(qū)動(dòng)各層之間的通信沒有采用IRP通信機(jī)制，而是通過接口函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口(Device Driver Interface，DDI)是在MDD層中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)集，系統(tǒng)中的GWES模塊通過這個(gè)接口調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)器接口(Device Driver Service Provider Interface，DDSI)是在PDD層中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)集并由MDD調(diào)用。

2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成部分比較

簡單地說，驅(qū)動(dòng)程序是一些例程的集合，它們被動(dòng)地存在，等待主機(jī)系統(tǒng)軟件來調(diào)用或激活它們。在Win-dows系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)，具體的驅(qū)動(dòng)程序有所不同，其包含的例程也不同，但其主要例程是相同的。圖3描述一個(gè)Windows驅(qū)動(dòng)的基本流程。



以下從幾個(gè)方面闡述WindowsCE和桌面Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成的不同。

2．1 驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)

在桌面Windows和Windows CE兩個(gè)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)程序都含有初始化模塊，該模塊主要功能是完成驅(qū)動(dòng)程序的初始化及卸載。在桌面Windows系統(tǒng)的初始化模塊中，包括每一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都有的一個(gè)初始化入口點(diǎn)——DriverEntry例程，每次設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)時(shí)該例程被系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用。其最重要的功能是設(shè)置驅(qū)動(dòng)程序?qū)��?yīng)于I／O請求的主功能代碼(MajorFunction)的回調(diào)例程。DriverEntry例程如下：



其中，AddDevice例程是在系統(tǒng)添加一個(gè)設(shè)備時(shí)被PnP管理器調(diào)用的，其主要工作是創(chuàng)建并初始化設(shè)備對象；DriverUnload例程在系統(tǒng)卸載硬件時(shí)使用，由I／O管理器調(diào)用，釋放所有資源。初始化模塊中還包括Create和Close兩個(gè)例程，這是Win32程序獲得和釋放設(shè)備句柄的唯一途徑。

與桌面Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)相比，WindowsCE設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的主要難點(diǎn)是，對于不同類型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序架構(gòu)是不一樣的。以流接口驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔�，Windows CE設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是用戶模式動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)，其入口點(diǎn)在不同的情況有一些細(xì)微的差別，主要入口點(diǎn)包括XXX_Init、XXX_Deinit、XXX_Open、XXX_Close、XXX_IOControl、XXX_Read、XXX_Seek、XXX_PowerUp和XXX_PowerDown，在實(shí)際開發(fā)中接口名稱中的XXX三個(gè)字母由設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備文件名前綴代替。

2．2 與應(yīng)用程序的通信

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)造成功之后，將它與設(shè)備一同安裝進(jìn)系統(tǒng)，以便用戶可以對設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂萍霸L問。在桌面Windows和Windows CE兩個(gè)系統(tǒng)中使用Win32 API實(shí)現(xiàn)硬件的訪問。首先調(diào)用CreateFile創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備的連接，獲得該設(shè)備的句柄(Handle)，然后根據(jù)需要調(diào)用ReadFile、WriteFile、DeviceIoControI等函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行讀寫或者其他I／O控制操作，最后調(diào)用CloseHandle關(guān)閉設(shè)備。

在桌面Windows系統(tǒng)中，當(dāng)用戶需要訪問某設(shè)備時(shí)，必須首先取出指定設(shè)備全局唯一標(biāo)識符(GUID)的設(shè)備信息集，枚舉設(shè)備實(shí)例的接口數(shù)據(jù)，從中獲得設(shè)備的符號鏈接名，然后調(diào)用CreatFile創(chuàng)建設(shè)備，并獲得設(shè)備句柄，而在驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)部通過處理IRP響應(yīng)來自Win32應(yīng)用程序?qū)�IRP_MJ_CREATE、IRP_MJ_READ、IRP_MJ_WRITE和IRP_MJ_OCTL等請求。IRP由IRP首部結(jié)構(gòu)和一系列的棧單元組成，每個(gè)棧單元是一個(gè)IO_STACK_LOCA-TION結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)程序僅需知道當(dāng)前I／O棧單元和IRP首部結(jié)構(gòu)中的信息就可以對IRP進(jìn)行處理。驅(qū)動(dòng)程序處理完IRP后，使用IoCompleteRequest函數(shù)通知I／O管理器，可以通過其參數(shù)設(shè)定狀態(tài)碼和返回的字節(jié)數(shù)。在Windows CE系統(tǒng)中，應(yīng)用程序需要了解中斷處理線程中數(shù)據(jù)的輸入輸出完成情況，以便及時(shí)地處理。這就需要建立應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的同步通信。

2．3 設(shè)備名

在Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，為了提供Win32程序可用的名字，必須為每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建符號鏈接。在桌面Windows和Windows CE兩個(gè)系統(tǒng)中，都可以采用一個(gè)明確的符號鏈接名。一個(gè)具體設(shè)備名稱是由設(shè)備名前綴和設(shè)備名索引組成的，即3個(gè)大寫字母、1位數(shù)字和冒號組成。另外在桌面Windows系統(tǒng)中，還可以采用設(shè)備接口為設(shè)備創(chuàng)建符號鏈接。每個(gè)設(shè)備接口由一個(gè)128位全局唯一標(biāo)識符(GUID)標(biāo)志。把設(shè)備注冊為一個(gè)特定的設(shè)備接口就創(chuàng)建了一個(gè)符號鏈接。用戶態(tài)設(shè)備可以取得擁有此GUID的設(shè)備。

2. 4 驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行模式

在Windows系統(tǒng)中支持兩種基本模式的驅(qū)動(dòng)程序類型，即用戶模式(user mode)和內(nèi)核模式(kernel mode)，不同的模式允許不同層次的內(nèi)存存取和系統(tǒng)資源的分配。內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序則由運(yùn)行于內(nèi)核模式的系統(tǒng)級代碼組成，它們沒有系統(tǒng)資源存取的限制，可以執(zhí)行任何有效的CPU指令，被用來直接控制硬件。用戶模式驅(qū)動(dòng)程序是按用戶模式運(yùn)行的系統(tǒng)級代碼，它們不能使用直接的硬件I／O指令來訪問硬件。

桌面Windows系統(tǒng)一般要求設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在內(nèi)核模式下。內(nèi)核模式提供設(shè)備資源的直接訪問，沒有固定的用戶模式的輔助操作。

Windows CE系統(tǒng)一般要求設(shè)備驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在用戶模式下。這種運(yùn)行在用戶模式下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有許多優(yōu)點(diǎn)，最明顯的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)有錯(cuò)誤動(dòng)作時(shí)，內(nèi)核被有效地保護(hù)起來了，因此內(nèi)核被驅(qū)動(dòng)程序破壞，或者可能導(dǎo)致不能重新啟動(dòng)內(nèi)核的潛在目標(biāo)存儲錯(cuò)誤，以及其他意想不到的災(zāi)難等發(fā)生的可能性就明顯地減少。

2．5 驅(qū)動(dòng)程序的安裝

桌面Windows的驅(qū)動(dòng)安裝通過INF文件。INF文件是一個(gè)文本文件，含有安裝一個(gè)WDM驅(qū)動(dòng)設(shè)備程序需要的所有必需的信息，包括要復(fù)制的文件列表、要?jiǎng)?chuàng)建的注冊表項(xiàng)等。驅(qū)動(dòng)根據(jù)INF文件中的指令安裝，驅(qū)動(dòng)程序可執(zhí)行文件被復(fù)制到正確的位置，通常是Windows Sys-tem32＼Drivers目錄，然后創(chuàng)建各種注冊表項(xiàng)。WindowsCE和桌面Windows之間的最大區(qū)別是，Windows CE不支持．sys和．inf文件。Windows CE設(shè)備驅(qū)動(dòng)編譯成動(dòng)態(tài)庫，將驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)庫文件直接拷入Windows＼目錄，然后創(chuàng)建各種注冊表項(xiàng)即可。這就減少了Windows CE加載程序的復(fù)雜性和大小。

3 開發(fā)環(huán)境比較

在桌面Windows系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)采用兩種方式。一類是Microsoft公司提供的Windows DDK(De-vice Driver Kit)，由于DDK基于匯編語言的編程方式和內(nèi)核模式的調(diào)用，對沒有深厚的OS原理和編程水平的人員來說，任務(wù)相當(dāng)艱巨。另一類是NuMega公司提供的DriverStudio，它是一個(gè)大的開發(fā)工具包，包含VtoolsD、SoftICE和DriverWorks等開發(fā)工具。利用DriverStudio開發(fā)WDM驅(qū)動(dòng)程序，可以大大減輕開發(fā)人員的工作量、縮短開發(fā)周期，以及降低開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的難度。

Windows CE開發(fā)平臺的開發(fā)者、獨(dú)立硬件供應(yīng)商(IHVS)和應(yīng)用程序開發(fā)者都會從事基于Windows CE平臺的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。對于不同的開發(fā)者，微軟為Windows CE提供了2種開發(fā)工具：Platform Builder和Embedded Visual Tools。Platform Builder是一個(gè)定制基于Windows CE操作系統(tǒng)的嵌入式平臺的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，為創(chuàng)建Windows CE嵌入式系統(tǒng)提供了全部相關(guān)工具，范圍從用來開發(fā)基于Windows CE的應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，到用來創(chuàng)建操作系統(tǒng)各種自定義版本。而Embedded Visual Tools主要用于上層應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，功能類似于桌面Windows平臺上的開發(fā)工具VC、VB等。這個(gè)工具的核心是Embedded Visual C++，它具有和Visual C++6．0基本相同的特性，包括對MFC、ATL以及COM／DCOM的支持、應(yīng)用程序向?qū)А⒕幾g調(diào)試等多種功能。

結(jié) 語

理解Windows CE與桌面Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的區(qū)別，有助于廣大熟悉桌面Windows設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的程序員快速掌握嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。近幾年來，信息家電、掌上電腦、電視機(jī)頂盒等基于Windows CE操作系統(tǒng)的設(shè)備已變得越來越普及，而Windows CE上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還比較少，因此Windows CE設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具有不少潛力和市場。希望本文對打算開發(fā)Windows CE設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的人們有所幫助。