（交通信息工程及控制专业论文）Windows+2000实时性研究及其在PCI数据采集中的应用.pdf

w i n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在 p c 数据采集中的应用 y5 8 6 3 7 9 摘要 随着计算机技术的发展，很多实时应用趋向于使用开放的、 标准的、通用的操作系统。wi n d o w s 2 0 0 0 操作系统以其图形用户 接口 和健壮性在桌面计算环境中得到广泛应用，一些实时系统领 域的开发人员也在尝试把它用于实时数据采集系统。然而众所周 知， w i n d o w s 2 0 0 0 的 设计目 标并非实时操作系统( r t o s ) ，而是一 个通用操作系统，那么，如何对 win d o w s 2 0 0 0 进行扩展使其符合 r t o s的要求是本文研究的重要内容。 p c i 总线是近年来在工作站和个人微机中得到广泛使用的一 种局部总线规范。p c i 总线可提供 3 2 位或 6 4 位数据宽度。在 3 2 位数据宽度下，可提供最大 1 3 2 m b / s的数据传输率。随着计算机 技术的发展，对高速、高性能板卡的需求将会越来越大，微机中 低性能的i s a总线必将被淘汰。因此，只有符合 p c i 标准的板卡， 才能适应未来的需要。 本文首先在对实时系统和 wi n d o w s 2 0 0 0 细致分析的基础上， 提出了将wi n d o w s 2 0 0 0 用于实时应用时，对win d o w s 2 0 0 0 进行 实时性扩展的不同解决方案;随后本文对不同实时任务调度算法 进行了深入的研究分析，并通过在wi n d o w s 2 0 0 0 调度器基础上增 加一个可装载多策略调度器的途径实现了一个改进的r ms 调度算 法:最后结合一个 p c i 数据采集卡的设计实现，阐明了p c i 局部 总线的工作原理和 wd m驱动开发方法。 通过这些论述， 解决了将 wi n d o w s 2 0 0 0 用于工业实时控制应 用时需要解决的基本问题，同时， 本文给出的wi n d o w s 2 0 0 0 实时 性改进措施、多策略调度器、基于wd m 的p c i 驱动开发模式等 都具有一定的通用性和指导意义，可供同领域的其他人员借鉴参 考。 关键词:实时系统实时操作系统 wi n d o w s 实时调度p c t wd m驱动程序 2 0 0 0 中断 数据采集 t 终k 奔、 衬全, 1 .c 1 1 ; 导师 局 食 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 abs tract wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s c i e n c e , m a n y r e a l t i m e a p p l i c a t i o n s t e n d t o u s e o p e n , s t a n d a r d a n d u n iv e r s u a l o s . wi n d o w s 2 0 0 0 o s i s c o m m o n ly u s e d o n d e s k t o p w i t h i t s g r a p h i c a l u s e r i n t e r f a c e a n d s t r o n g h a l e n e s s , n o w s o m e r e a l t i m e s y s t e m d e v e l o p e r s a r e t r y i n g i t o n r e a l t i m e d a t a a c q u i s i t i o n . h o w e r v e r , i t i s w e l l k n o w n , wi n d o w s 2 0 0 0 i s n o t d e s i g n e d f o r a r t o s , b u t a u n i v e r s u a l o s , t h e n h o w t o ma k e wi n d o ws 2 0 0 0 f e a s i b l e f o r r t os i s t h e ma i n t a s k f o r t h i s p a p e r . p c i b u s i s w i d e l y u s e d in w o r k s t a t i o n a n d p e r s o n a l p c . p c i b u s p r o v i d e 3 2 b i t s o r 6 4 b i t s d a t a w i d t h . wh e n 3 2 b it s , i t s b i g g e s t d a t a t r a n s m i s s i o n s p e e d i s 1 3 2 mb / s . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s i c i e n c e , h i g h s p e e d a n d p e r f o r m a n c e c a r d s a r e l a r g e l y n e e d e d , a n d t h e lo w p e r f o r m a n c e i s a c a r d s m u s t b e w a s h e d o u t . t h i s p a p e r f i r s t l y d o e s d e e p l y a n a l y s i s i n r e a l t ime s y s t e m s a n d wi n d o w s 2 0 0 0 , t h e b r i n g s o u t d i f f e r e n t s o l u t i o n s t o t h e r e a l t i m e e x t e n s i o n o n wi n d o w s 2 0 0 0 ; t h e n d o e s d e e p l y r e s e a r c h i n r e a l t i m e t a s k s s c h e d u l i n g a n d r e a l i z e s a k i n d o f n e w s c h e d u l i n g a r i t h m e ti c r ms b a s e d o n wi n d o w s 2 0 0 0 s c h e d u l e r ; l a s t g i v e s o u t a a p p l i c a t i o n o n p c i d a t a a q u s i t i o n c a r d , c l a r i f i e s l o c a l b u s w o r k p r i n c ip le s a n d wd m d r i v e r d e v e l o p m e n t m e t h o d s . b y t h e d i s c u s s e s a b o v e , t h i s p a p e r r e s o l v e s t h e b a s i c p r o b l e m t o u s e wi n d o w s 2 0 0 0 i n i n d u s t ry c o n t r o l a p p l i c a t i o n s a n d p u t s f o r w a r d a k i n d o f n e w m e t h o d t o e x t e n d wi n d o w s 2 0 0 0 r e a t i me p e r f o r ma n c e . a t t h e s a m e t i m e i t i s i n s t r u c t iv e i n p c i d r i v e r d e v e l o p m e n t w i t h wd m mo d e l . k e y wo r d s : r e a t i m e s y s t e m r e a l t im e o s wi n d o w s 2 0 0 0 in t e r ru p t r e a l t i m e s c h e d u l i n g p c i wd m d r i v e r d a t a a q u i s i t i o n wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在 p c i 数据采集中的应用 前 言 随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在工业生 产及科研中也迅速地得到应用。数据采集系统的任务是对生产或 实验现场各种参数进行实时采集，然后送入计算机，根据不同的 需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。与此同 时，将计算得到的数据按要求进行显示或打印，以便实现对某些 物理量的监视。一个好的数据采集系统，一般需要长时间、高速 度地进行数据采集。因此，在数据采集系统中，采用一个合适的 操作系统和数据采集卡，并设计一套高效的实时调度算法具有十 分重要的地位。 基于p c 硬件平台的数据采集和控制技术近年来得到迅猛发展 和广泛应用。在 p c操作系统当中，win d o w s 2 0 0 0 具有完善的内 存管理机制和网络功能， 支持多c p u 以及基于wi n 3 2 a p i的编程 接口，这些优点已经使得它成为事实上的标准桌面通用操作系统。 然而wi n d o w s 2 0 0 0 并不是实时操作系统， 所以，在将其应用于必 须处理实时异步事件的数据采集和控制领域，有一些专门的问题 有必要进一步研究探讨。 p c i总线是近年来在工作站和个人微机中得到广泛使用的一 种局部总线规范。 p c i 总线可提供3 2 位或6 4 位数据宽度。在3 2 位数据宽度下，可提供最大 1 3 2 m b / s 的数据传输率。随着计算机 技术的发展，对高速、高性能板卡的需求将会越来越大，微机中 低性能的i s a总线必将被淘汰。因此， 只有符合p c i 标准的板卡， 才能适应未来的需要。 随着科学技术的发展和人类对外部世界认识的不断深入，人 们对数据采集系统的各项指标，如速率、分辨率、精度、输入电 压范围、控制方式以及抗干扰能力等方面提出越来越高的要求。 一些现代电子系统都面临高速、大容量数据流的运算和处理问题。 高速高精度的大量获取目 标数据，并进行实时信号处理，对目 标 的检测和识别也是非常重要的。显然，高速，大容量的数据流以 及对信号处理实时性的要求己成为现代电子系统的一个重要特 点。同时，人们对外部世界的了解也要求更细微、更精确。这些 都使得传统的低速数据采集系统显得力不从心。在许多应用场合， 如特别是实时性要求高的情况下，人们需要设计和应用高速数据 采集系统，以在极短的时间内获得大量的数据，于是，速度，作 为评价高速数据采集系统的一项重要指标也越来越受到重视。 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 本文将给出较为详细的wi n d o w s 2 0 0 0 用于实时系统的技术可 行性分析以 及实现时的一 系列关键技术， 并结合一个基于 p c i 局 部总线的实时数据采集系统的设计与实现方案， 提出了将win d o w s 2 0 0 0用于实时应用时，对它的实时性扩展的不同解决方案:通过 在w i n d o w s 2 0 0 0 调度器基础上增加一个可装载多策略调度器的途 径实现了一个改进的r ms 调度算法; 阐明了p c i 局部总线的工作 原理和 wd m 驱动开发方法。希望本文能对从事同类应用开发的 开发人员起到一定借鉴参考作用。 本文第一章主要对实时系统做了详细的分析讨论，给出了实 时系统的定义、分类、特征、性能指标，并重点分析了实时操作 系统的有关概念和基本特征。 第二章对wi n d o w s 2 0 0 0操作系统的 内核结构、线程调度、内存管理、驱动开发进行了全面地阐述。 第三章在对wi n d o w s 2 0 0 0 操作系统实时性分析的基础上，给出了 扩展wi n d o w s 2 0 0 0 系统的四种解决方案， 最后在分析已 有实时调 度算法的基础上讨论了一个改进的 r ms调度算法在 wi n d o w s 2 0 0 0 上的实现。第四章讨论了p c i 局部总线的操作原理，分析了 p c i 在数据采集中的应用前景和关键技术。最后，第五章讨论了 win d o w s 2 0 0 0 驱动程序开发的一般技术和方法， 给出了基于wd m 的p c i 接口卡的驱动程序的设计和实现。 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在 p c i 数据采集中的应用 第一章实时系统概述 1实时系统基本概念 实时系统是指能够在确定时间内执行计算或处理功能并对外 部的异步事件做出响应的计算机系统。其中 “ 确定时间”是最根 本的要求，系统的正确性不仅取决于处理的结果在逻辑上的正确 性， 更取 决 于 获 得结 果的 所 需的 时 间 1 1% 实时系统按照用途可以分为实时控制系统、实时数据库、实 时网络和实时多媒体系统等，在本文中实时系统主要指实时控制 系统。实时计算机控制系统和普通计算机系统不同。尽管两者都 希望计算机资源的利用率更高，计算速度更快，信息吞吐量更大， 但是一般非实时的科学计算和管理系统最终获得的结果很少和在 什么时间得到结果有关系。然而，实时计算机控制系统必须与外 部世界相互作用，外部世界由工作环境、设备硬件和在其中发生 的事件表示。系统在响应这些事件时所进行的判断、推理和计算， 不仅要保证产生正确的结果，而且要保证在确定的时间内产生结 果。所以实时系统要集中全部资源，保证控制任务准时完成。两 者进一步的区别是，非实时系统常常以传统的串行方式进行，而 实时系统却是多任务并行的方式进行。 1 . 11 . 1实时系统的分类 . 1强实时系统iil 它要求的响应时间和处理时间短而确定，如果超出规定要求 的时间，所产生的结果就完全不可用，而且系统可能会崩溃。其 响应时间通常在微秒到毫秒之间。 1 . 1 . 2弱实时系统n ) 它对于响应时间和处理事件的要求相对要低，如果时间超出， 仅仅是不符合规格，会严重影响系统的性能，但是所产生的结果 仍然是可用的。其响应时间通常在毫秒至秒级。 win d o w s 2 0 0 0 实时 性研究及其在p c i 数据采集中的应用 1 . 2实时系统的特点 1 . 2 . 1实时性 实时和快速是两个不同的概念。一个计算机系统处理速度的 快慢，主要取决于硬件系统的设计，尤其是所采用的处理器的速 度。而对于一个硬件结构已经确定的计算机系统，它的实时性完 全取决于它的操作系统。在实时系统中，能够在确定时间内对事 件作出响应是最为基本和重要的要求。 1 . 2 . 2多任务 实时系统总是和多任务联系在一起。实时系统的核心就是实 时多任务操作系统，而是实时多任务操作系统的核心就是它的任 务调度方式。一个实时操作系统的任务调度程序必须能随时中断 正在运行的任务，对内部和外部发生的时间在确定的时间内做出 响应，也就是说，它必须具有 “ 抢占式”的任务调度机制。 1 . 2 . 3可靠性 实时系统在可靠性、重启动和故障恢复方面的要求相对要高。 由于它控制和监视着现实世界，因此失去监视或控制，可能会导 致严重的后果。因此，实时系统大多包含重新启动和故障恢复机 制。 1 . 2 . 4异步性 实时系统常常用来处理一个连续输入数据流，而到达序列和 数据容量很难提前预测准确，因此，实时系统必须要响应异步事 件。 1 . 3实时系统的性能指标 1 . 3 . 1响应时间【， 系统的响应时间是从系统检测到一个内部或外部事件到发出 响应动作这段时间，而任务切换时间和中断等待时间是影响反映 时间的两个关键因素。任务切换时间，即系统在两个独立任务之 间切换所需的时间。中断等待时间，是指处理器收到中断请求到 执行中断服务程序的第一条指令所需的时间。 1 3 , 2数据传输率川 数据传输率指串行/ 并行数据进出系统的速度。p o设备的性 能、总线延迟、缓冲区大小、磁盘性能以及整个系统的设计都对 数据传输率有很大的影响。 w i n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 2实时操作系统概述 实时系统的核心和灵魂是他所采用的操作系统。实时操作系 统的研究是从 2 0世纪 6 0年代开始的。 从系统结构上看，迄今 己经历了三个阶段:系统监控软件阶段、软组件结构的实时操作 系统以 及基于微内 核思想的可伸缩内 核( 超微内 核) 结构的实时 操 作系统。通过实时操作系统，将可以在更高层次上进行研究和开 发，把重点放在满足用户最终的应用需求上，而不是在复杂的具 体系统硬件的研究和开发上。 2 . 1实时操作系统应具备的主要特征 1 )中断的 优先级机制: 所 有的 操作 系 统都必 须有一个优 先级调 度 机制， 但实时操作系统必须提供一个允许高优先级任务中断低 优先级任务的中断机制。 2 )作业抢先调度机制: 优先级保证级别高的作业先于级别低的作 业运行，以保证确定的响应时间。 3 )内 存锁定机制: 由 于中 断响 应是异步的， 不可再现的 事件， 因 为它们必须被立即处理， 而不应该先花时间把处理程序从磁盘 调入内存。 为了保证响应时间， 实时操作系统必须有一个内存 锁定机制，即主存中常驻一些处理程序，以免系统调页开销。 4 )多任务同步机制: 一个多任务 操作系统具有任务间传递消息和 保证任务同步的机制， 因此， 操作系统必须提供多任务同步机 制， 使用信号队 列、 消 息 等来 完 成同 步。 d 1 2 . 2实时操作系统的国内外应用现状 当今世界上占优势地位的p c机操作系统是mi c r o s o ft公司的 wi n d o w s系列操作系统， 例如wi n d o w s 9 x / n t / 2 0 0 0等。其操作 系统以较高的性能价格比、美观的人机界面、方便快捷的操作以 及易学易用性等受到了广大 p c 2 0 0 0操作系统由于其可靠性好、 业应用领域中在p c 机用户的支持，其中 wi n d o w s 安全性高等优点，逐渐地成为工 机上进行应用开发的主流操作系统。 广， 目前，专用的实时操作系统大多在嵌入式应用领域内应用较 其软件编程相当复杂，编程工作量很大，系统升级和维护的 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 工作量也很大;更为重要的是，这类专用的实时操作系统价格昂 贵，以v x w o r k s为例， 一套 v x w o r k s实时操作系统的价格大约 为1 0万元人民币，而且只能安装在一台计算机上。 在p c机上运行的操作系统主要有mi c r o s o ft公司的win d o w s 系列操作系统、 u i n x操作系统以及l i n u x操作系统等。 为了在p c 机上研究和开发满足应用要求的实时系统而完全抛弃正在运用的 现有的成熟操作系统，这是不具有吸引力的，这样将不得不完全 放弃现有的成熟p c机操作系统所提供的强大功能， 包括丰富的图 形用户界面( g u i )、 数据分析和数据显示软件包等。因此在现有 成熟的 p c机操作系统的基础上研究和开发满足应用要求的实时 系统，将是一个具有重要意义的研究方向。 2 . 3选择实时操作系统的基本依据 1 )可移植性: 处理器的 发展越来越快， 性能 越来越来高， 对于不 同类型的应用， 设计者可能要选用不同类型的处理器。 为了能 够长期使用一个操作系统， 就要求它所支持的处理的类型越多 越好。 为了达到这个要求， 所采用的操作系统最好用高级语言 实现。 2 )可伸缩性: 由 于实时 控制软件时 对于外部设备的直接控制与操 作，它们一般要装在各种测量、 通信设备上，这就要求操作系 统的代码规模尽量要小， 要紧凑。目 前最为流行的和最具发展 前途的操作系统结构是为内核结构。 这种结构便于裁减， 可以 更好的处理系统的规模可伸缩性问 题。 3 )现有软硬件基础: 一般流行的 操作系统都有与之对应的程序编 辑具、编译、 连接、 调试工具， 有完善的系统函数库或者类库 可以直接调用，提高开发效率。 4 )网 络功能: 当今世界， 一个优秀的实时操作系统必须具有网络 功能，高度可靠和高效率地实现t c p / i p 等网络协议。 5 )标准化程度:目 前操作系统领域比 较公认的市场标准是从 u n i x系统发展而来的p o s i x a p i 接口 标准。d 1 3应用w i n d o w s 2 0 0 0 做实时系统开发 wi n d o w s 2 0 0 0 操作系统以 其图 形用户接口 和健壮性在桌面计 算环境中得到广泛应用，一些实时系统领域的开发人员也在尝试 w i n d o w s 2 0 0 0 实时性 研究 及其在p c i 数据采集中的应用 把它用于实时数据采集系统。然而众所周知，w i n d o w s 2 0 0 0 的设 计目标并非实时操作系统，而是一个通用操作系统，更准确地说 是一个网络操作系统，那么，究竟能否把它用于实时数据采集系 统呢? 3 . 1 可行性研究 1 ) w i n d o w s 2 0 0 。 是抢先多任务的， 线程具有3 2 个优先级， 其中 有1 6个级别处于实时类优先级。对于复杂实时系统来说， 其 优先级数略显不足， 但对于简单的实时系统应该能够胜任。 另 外，它具有丰富的线程同步机制，如事件、互斥体、信号量、 临界区等。 但是它的线程同步机制是难以预测的， 因为它没有 很好地 解决 优先级倒置问 题。 2 1 2 ) w i n d o w s 2 0 0 。的中断 机制也是基于优先级可抢先的。高 优先 级的中断可以抢先低优先级中断， 这增加了系统行为的可预测 性。 w i n d o w s 2 0 0 0提倡中断处理分为两步: 首先在中断服务 例程( i s r )中完成一些必要的设置， 这里的处理要尽量少; 然 后由设备驱动将一个延迟过程调用( d p c ) 请求排队，在 d p c 里完成大部分工作。 这种安排， 客观上缩短了驱动程序级别的 中断延迟。但是由于d p c不是基于优先级的，而是先来先服 务， 所以对于用户程序级来说反倒是增加了中断响应的不可预 测 性。 z 1 3 ) w i n d o w s 2 0 0 0提供了 几种解析度较高的定时器， 可以 在实时 系统获 得更 具确定性的时 间 间 隔。 利用g e t t i c k c o u n t 0 a p i , 应用程序可以获得系统时钟精度达 i o m s 。 利用多媒体定时器， 最小时间解析可以达到i m s 。 解析度最高的是高解析度性能计 数器，在i n t e l c p u上可以达到的精度大约在0 . 8微秒左右， 它 可以 通过w in 3 2 q u e r y p e r f o r m a n c e c o u n t e r 0 a p i 得 到。 17 1 4 ) wi n d o w s 2 0 0 0是基于 虚存系统的，页面的 换入换出 显然会影 响实时系统的可预测性。所幸的是，wi n d o w s 2 0 0 0考虑到了 实时系统的需要， 它采取了一些措施尽量减少换页带来的不利 影响: : 换页动作发生在实时优先级以下; w i n d o w s 2 0 0 0 允许应用程 序把自 己 锁到内 存( 使用 v i r t u a l l o c k ( ) a p i ) ， 免受 换 页的 影 响。 2 1 5 ) wi n d o w s 2 0 0 0中把大多数窗口 和图形代码从用户态进程描述 表中移到了在核心态运行的一组可调用的服务中。 这种移动改 善了系统的总体性能 尤其是提高了图形绘制的速度， 使之更 w i n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 适合于图形密集的场合。 综上所述，虽然win d o w s 2 0 0 0 不是r t o s ，但还是提供了对 实时系统一些有用的支持。 wi n d o w s 2 0 0 0 丰富的绘图a p i以及 友好易用的开发环境，极大地方便了需要大量绘图的数据采集系 统的开发，因 此， 我们说 w i n d o w s 2 0 0 0可以 用于实时数据采集系 统，只是在系统的整体设计实现中要注意一些特殊问题，以便充 分挖掘其实时性，以满足系统实时性要求。 3 . 2 需要解决的主要问题 3 . 2 . 1设备数据缓冲区设计 数据采集系统中一般要使用定制的硬件板卡。为了减轻软件 的压力，提高整个系统的响应能力，板卡的设计要注意采用较大 的缓冲区。采用乒乓双缓冲甚至多缓冲往往能使系统吞吐能力得 到意想不到的提升。当一个缓冲区满时，发出中断让软件处理， 而同时其它缓冲区还可以接收数据。 板卡到p c机一般应采用中断 方式，而且尽量提高设备的中断 请求( irq ) 级别，数据量极大时 可以考虑采用d ma方式。 另外， p c机的配置尤其是内存容量越 高越好，对于某些不必要的设备如光驱在系统开发完成后可以卸 掉，以免与我们的专用设备争夺资源。 3 . 2 . 2设备驱动程序设计 基于w i n d o w s 2 0 0 0的 数据采集系统软件中， 设备驱动程序是 非常关键的一环。它要处理来自硬件的中断，进行数据接收，还 要负责向上层应用软件提供数据，因此它的性能对整个系统性能 有较大影响。一般在驱动程序层也要考虑安排大缓冲区，并且直 接在i s r中 完成数据接收处理， 而不要在排队的d p c中 处理( 这 虽然违背了mi c r o s o ft的建议，但由于数据采集系统的任务比较单 一， 这样做无可厚非) ，以 提高系统响应的可预测性。 数据接收完 成后，一般要通过置一个核心事件对象的状态为 “ 有”信号，来 通知上层程序数据准备就绪。驱动程序与上层程序之间的数据传 递有两种方式:缓冲u o和直接 u o 。 对于数据量大的情况， 应该 采用直接 u o方式， 因为它比缓冲u o至少要少一次在用户空间和 系统核空间之间的数据拷贝，这对大数据量的情况来说其开销是 很可观的。此外，我们还可以在驱动程序中设置 u o 完成后上层 程序优先级提升到较高级别，以在与其它线程的资源竞争中处于 有利地位， 这是通过设置:v o i d i o c o m p l e t e r e q u e s t ( in p i r p i r p , in c c h a r p ri o r i ty b o o s t ) 中的p ri o ri t y b o o s t 参数来完成的。 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 3 . 2 . 3应用层程序设计 上层应用程序要完成的功能包括通过驱动程序读入采集数 据、存储到永久存储设备、图形化显示以及报警处理等。上层应 用程序的任务还是比较繁重的，尤其是图形显示和写盘都是比较 费时的操作。为了使数据得到及时接收处理，我们可以给进程较 高的优先级;还可以借助wi n d o w s 2 0 0 0 的可抢先多线程机制，把 关键的数据接收存盘任务安排在一个高优先级的线程中，而图形 化显示和报警这种实时性要求不高的任务安排在优先级相对较低 的线程中。线程之间通过事件等同步对象，再结合 win d o w s消息 机制进行通讯。 数据接收线程与驱动程序之间的通讯通过上文提 到的核心事件对象进行，只要上层程序与驱动程序采取一致的事 件名字即可。 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c 数据采集中的应用 第二章、 v i n d o w s 2 0 0 0 体系结构研究 要实现wi n d o w s 2 0 0 0 下的实时控制，就必须能够直接响应和 操纵外部硬件，而在 wi n d o w s 系统中，设备驱动程序是能够做到 这一点的唯一途径。由于设备驱动程序是作为核心态的一个组件 工作在系统核心层的，它直接与系统的其他核心态组件打交道， 用户层的应用程序发给设备驱动程序的命令通过 u o管理器传递 给设备驱动程序，内核帮助驱动程序管理中断及推迟过程调用， 而驱动程序又通过硬件抽象层操纵硬件设备。同时，由于设备驱 动程序是系统可信赖的模块，系统将不会对其进行安全性检查， 它的运行必须严格按照系统的规范来进行，否则就会导致系统故 障及崩溃。因此，在编写wi n d o w s 2 0 0 0 下的实时控制程序时，必 须首先对wi n d o w s 2 0 0 0 的体系结构和系统机制有一个较为深入的 了解，弄清设备驱动程序与个系统核心态组件的关系和接口，使 设备驱动程序能够和各个系统组件协调工作。 1 w i n d o w s 2 0 0 0 的体系结构 wi n d o w s 9 8是3 2 位代码和 1 6 位代码的混合体，其内核中既 有 3 2 位代码，也有 1 6 位代码。虽然 wi n d o w s 9 8 也声称是可抢占 式多任务操作系统， 但在1 6 位代码执行时c p u是独占的， 这严重 影响了系统的可靠性和性能。 wi n d o w s 2 0 0 0 是真正的3 2 位可抢占 式多任务操作系统， 它不包含任何1 6 位代码。 wi n d o w s 2 0 0 0 操作 系统的体系结构如图2 - 1 所示。win d o w s 2 0 0 0 利用强制特权检查 机制来保证系统的完整性。它的设计目 标是:2 1 1 )兼容性 2 ) 坚固性和可靠性 3 )可移植性 4 )可扩展性。 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 保护子系统 e -a , ie ,t w# 1v 贯 im 29 a$ a atlw a m贯+s i ka ne xe c u ri w 令特 硬 件 抽 象 平 台 h a l 硬件 图2 - i w i n d o w s 2 0 0 0 操 作 系 统的 体系 结 构 从图2 - 1 可以看到，wi n d o w s 2 0 0 0 操作系统是由不同层次的 模块共同组成的。 用户模式和内 核模式 只有 c p u运行在保护模式时才有用户模式和内核模式的概 念，它们分别对应于c p u的两种运行状态。在i n t e l x 8 6平台上， 内 核模式对应于c p u的r i n g 0 ( 0级环) ， 用户模式对应于c p u的 r i n g 3 ( 3 级环) 。 应用程序和一部分系统部 件运行于 用户模式。 在用户模式中， 硬件防止特权指令的执行， 并进行内存和u o空间的引用检查。 操 作系统禁止在用户模式执行的程序进行任何u o操作， 并捕捉违反 系统完整性的任何行为。因此用户程序要直接访问内存和 u o资 源，或者调用内 核对象，就必须通过操作系统的某种机制进入内 核模式。 在内核模式中，操作系统和c p u没有任何限制。程序可以执 行所有特权级指令，拥有对任何 u o设备和虚拟地址的全部访问 权，还可以控制虚拟内存硬件。在内核模式中，系统还提供上千 种系统功能调用和多种内核对象，用来完成各种系统级的特权功 能。这些系统和对象，用户模式的程序无法接触。此外，在内核 樟式中执.行的程序扮率f h . 比用户樟式中执行的程序高很名 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c 数据采集中的应用 1 . 2硬件抽象层 ( h a l ) 硬件抽象层是一薄层软件，是计算机中除c p u之外的所有硬 件的抽象。 h a l显露出一组定义非常清楚地函数供其它系统组件 调用，其管理的项目 有: 1 )片外高 速缓存 2 ) 定时器 3 ) u o总线 4 )设备寄 存器 5 )中断寄 存器 6 ) d m a控制器 各种系统组件都使用h a l函数与除c p u之外的硬件打交道。 这样，可以对系统隐藏硬件平台特定的细节，提高了系统的可移 植性。特别是，使用h a l函数，可以使内核和设备驱动程序在相 同的c p u体系结构上二进制代码兼容。 1 . 3内核 内核代表c p u自身的抽象模型。内核管理以下功能: 1 )中断和异常处理; 2 )线程调度和同步; 3 )多处理机同 步; 4 )定时控制。 通过使用这些内核服务，操作系统和高层部分可以忽略底层 的c p u的体系结构，使得驱动程序和高层系统组件有可能实现在 不同c p u体系结构间源代码级兼容。内核管理了一些内 核对象， 驱动程序可以通过创建和管理各种内核对象来请求内核的帮助。 这些对象分为两大类; 1 ) d i s p a t c h对象。 的对象: 如 ; e v e n t , m u t e x 等 用 于 管 理 和同 步 线 程 2 )控制对象。如:d p c( 推迟过程调用) 对象、 象等，用于控制中断和驱动程序的流程。 i n t e r r u p t 对 w in d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c 数据采集中的应用 1 . 4 e x e c u ti v e e x e c u t i v e实际上并不是一个真正的内核模块，它是若干独立 的内核组件的集合。而这些内核组件之间并没有多少联系，是完 全独立的，它们只通过定义好的接口 进行通信。这些内核组件包 括: i t 1 )对象管理器; 2 )配置管理器; 3 )进程管理器; 4 )安全引 用监视器; 5 )虚拟内存管理器; 6 )本地进程调用 ( l p c ) 机制; 7 ) u o管理器 1 . 5保护子系统 定义操作系统的外观的系统扩展组件，称为保护子系统。 wi n d o w s 2 0 0 0 的用户和程序员不是直接与操作系统打交道，而是 与这些子系统打交道。根据所作的工作，保护子系统可以分成两 类: 1 )整体子系统。 执行某个必要的系统功能。 2 )环境子系统。为某个特定操作系统固有的应用程序提供编 程接口 和执行环境。 如: wi n 3 2 子系统、 d o s 虚拟机、 p o s l x 子系统等等。 从上面的讨论可以看出，wi n d o w s 2 0 0 0 的体系结构是全面而 复杂的。这为 u o处理增加了一定的复杂度。wi n d o w s 2 0 0 0 使用 比其他操作系统更广泛的驱动程序结构定义。对于不同种类的硬 件，wi n d o w s 2 0 0 0 使用不同的驱动程序体系结构，这些体系结构 大多是分层实现的。这也就增加了驱动程序开发的灵活性和复杂 度。 2 w i n d o w s 2 0 0 0 的系统机制 除了以上介绍的系统核心态组件，wi n d o w s 2 0 0 0 还提供了各 种系统机制来管理和支持这些组件，使整个系统能够有效地顺利 win d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 运行。下面介绍wi n d o w s 2 0 0 0 中关于中断、内存管理、任务管理 的各种系统机制，它们都与设备驱动程序中的中断响应、映射内 存等内容密切相关。 2 . 1中断调度机制 2 . 1 . 1中断调度程序 系统中称为 “ 中断调度程序”的内核陷阱处理程序的子模块 响应中断。它确定中断源并将控制转交给处理中断的外部例程 ( i s r ) ，或转交给响应中断的内部内核例程。设备驱动程序给服 务设备中断提供i s r ，内核则提供其他类型中断的中断处理例程。 2 . 1 . 2中断优先级 中断优先级为中断抢先调度提供了系统保证。不同的处理器 能够识别不同的中断号和中断类型。中断调度程序将硬件中断级 映 射到由 操作 系 统识别的 “ 中 断 请求级” ( i r q l ) 的 标准 级上。 i r q l 按优先级排列中断，按优先级服务中断，较高优先级的中断抢先 较低优先级中 断的服务。 如图2 - 2 : ( i s :; : 硬件中断 : : 高优先级 电源故障 处理器内部中断 时钟中断 配置文件 设备n 设备1 d p c / d i s p a tc h ap c 低优先级 件 ， 断 阅 卜 ， 正常线程执行 图 2 - 2中断飞 青 求级别 i r q l从高级往下到设备级都是为硬件中断保留的。 d i s p a t c h / d p c级和a p c级中断是内核和设备 驱动程序产生的软件 中断。低级i r q l( 也称为被动级)实际上并不是真正的中断级， 在该级上执行普通的线程，并允许发生所有的中断。 当核心态线程运行时， 它可以 提高或降 低处理器的i r q l 。 如 w i n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 果中 断 源的i r q l 高于当 前的中 断设 置， 则 它的中 断 可以 中 断该处 理器; 如果中断 源的i r q l 等于或低于当前的中断级， 则它的中断 将被封锁或屏蔽， 直到一个正在执行的线程降低了r r q l . 当中断产生时， 陷阱处理程序提高处理器的i r q l 直到与中断 源所指定的i r q l 相同。 这种提高封锁了 所有等于或低于此i r q l 的中断 ( 在该处理器上) ，确保正在服务于该中断的处理器不会被 同级或较低级的中断抢先。被屏蔽的中断将被另一个处理器处理 或阻挡， 直到i r q l 降低。由 于改变处理器的i r q l 对操作系统具 有如此重要的影响，所以它只能在核心态改变。用户态线程不能 改 变处理 器的i r q l . 2 1 2 . 1 . 3中断处理 当中断产生时，陷阱处理程序将保存计算机的状态，然后禁用 中断并调用中 断调度程序。 中断 调度程序立刻提高处理器的i r q l 到中断源的级别，以使在中断服务进行时屏蔽等于或低于中断源 级别的其他中断。然后，重新启用中断，以使高优先级的中断仍 然能够得到服务。 wi n d o w s 2 0 0 0 使用中断分配表 i d t ) 来查找处理特定中断的 例程。 中断源的i r q l 作为表的索引， 表的 入口 指向中断处理例程。 如图2 - 3 所示: 中断调度表 ( 工 d t ) (d ifil t 中 断 n 电源 i n 时钟 设备n 设备1 d i s p a t c h / d p c a p oi f 系统关闭例程 系 统掉电 例程 处理器间中断处理程序 时钟处理程序 设备n i s r 中断调度程序跟随指 ，调用响应的处理程序 设备i i s r 线程调度程序/ d p c 处理程序 a p c 处理程序 ( 无) 图 2 - 3 中断调度表 2 . 1 . 4内 核的中断对象 大多数处理中断的例程都在内核中 间，并在电源级中断产生时关闭系统。 。例如，内核更新时钟时 然而，键盘、定点设备和 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在 p c i 数据采集中的应用 磁盘驱动器等外部设备也会产生许多中断，因 此，设备驱动程序 需要一种方法来告诉内核:当设备中断发生时应调用哪个例程。 内核提供了一个可移植的机制:叫做 “ 中断对象”的内核控 制对象， 它允许设备驱动程序注册其设备的i s r 。 中断对象包含内 核所需的设备 i s r与中断的特定级相联系的所有信息，其中包括 i s r地址、 设备中断的i r q l以 及与i r q l 相联系的内核中的 入口 。 使用中断对象来注册i s r ， 可防止设备驱动程序直接随意中断 硬件，并使设备驱动程序无需了解 i d t的任何细节。内核的这个 特性有助于创建可移植的设备驱动程序。 2 . 1 . 5软件中断 虽然硬件产生了大多数的中断，wi n d o w s 2 0 0 0内核也为多种 任务产生软件中断。这里主要介绍与设备驱动程序密切相关的推 迟过程调用中断 ( d p c ) o d p c对象的概念:它是一个内核控制对象。d p c对象包含的 最重要的信息是当内核处理 d p c中断时将调用的系统函数的地 址。 等待执行的d p c例程被保存在 “ d p c队列”的内核管理队列 中。 为了请求一个d p c ， 系统代码将调用内核来初始化d p c对象， 然后把它放入d p c队列中。 d p c的调度过程:将一个d p c放入 d p c队列会促使内核请 求一个在d i s p a t c h / d p c 级的软件中断。 因为通常d p c是由 运行在 较高i r q l级的软件对它进行排队的， 所以被请求中断直到内核降 低i r q l到a p c级或低于a p c级才出现。图2 - 4 描述了d p c的 处理。2 定时器到时。系 统内核将一个 d p c 放入d p c 对列中。井且释放 中断调度表 调 度程序 执行 d p c 对列中的 每 个例程 直ad p c 对列为 空 如果需 要，调度程序也 会重新安排处理器 wi n d o w s 2 0 0 0 实时性研究及其在p c i 数据采集中的应用 图2 -0 延迟过程调用的提交 d p c的应用:d p c主要是为设备驱动程序提供的。设备驱动 程序使用d p c完成u o请求， 一般， 它使用d p c来处理i s r的比 较不重要的工作。 这是因为中断处理例程的i r q l 较高， 系统要求 i s r尽量的短小， 使其能够尽快地退出。 如果i s r过长， 将使系统 对关键事件的响应时间