文件系统驱动编程基础篇之7——串口端口读写

关键字：文件系统驱动编程,端口读写

作者：wskjuf    更新：2008-10-06 22:14:58    浏览：7539

文件系统驱动编程基础篇之七——端口读写

一、前略

    本系列文章为业余编程爱好者而写，仅仅作为初学者的一个借鉴，真正的精华存在于参考资料*中。知识 的积累将经历从薄到厚，再从厚到薄的反复过程，为了打下牢固的基础，请读者务必在阅读本文的基础上花费必要的时间完成参考资料。

笔者的实践环境为：
硬件：P35 Motherboard & ICH9 chip，Pentium Dual Cpu E2160 1.8g， DDR2 1g
软件：Windows XP2、VS 2005、Visual AssistX、DriverStudio 3.2、MICROSOFT.WINDOWS.SERVER.V2003.IFS.DDK、Windbg 6.8.0004.0，请安装好用于调试的虚拟机并配置好调试环境。

参考资料*：
1．《Programming the Microsoft Windows driver model》第一版（当前阶段主要阅读资料，在先前的基础上，本次需要完成前八章）
2．《Windows NT File System Internals - A Developers Guide》（资料1理解后可阅读，为后续章节做准备）
3．《OSR White Papers》
4、《Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer s Manual Volume 3A/B System Programming Guide》
5．WinXXX部分源代码…
6．《Kernel Debugging with WinDbg》（随WinDbg软件附带的文档）

阅读基础：了解计算机结构体系、掌握用户模式下常用API调用、了解常用汇编指令。请从现在开始的一年时间里阅读50万字以上的驱动编程外文资料，彻底突 破外文关。

本章目的：初步掌握硬件驱动编程的基础知识，学习使用Windbg调试。初次阅读代码量在一万行以上的驱动程序。

二、问题的提出

    xp下直接读写端口会发生什么事情呢？一个简单的测试程序如下：

int main(int argc, char* argv[])
{
    char result;
    asm {
    mov al, 0x10
    out 0x70, al
    in al, 0x71
    mov result, al
    }
    printf("%X", result);
    return 0;
}

运行后发现程序弹出了异常，无法执行out指令，给出的提示为：

    这是早已预料的结果。笔者搜索了一下，找到了《Direct Port IO and Windows NT》，欣欣然之下禁不住想让大家知道原来“不需要”写驱动也可以访问端口了。它究竟是何方神圣？原来这是一种称之为iopm的方法，它涉及了 CPU硬件理论里关于TS段的基础知识：



    通过修改I/O映射表，用户模式下的进程就具有了存取端口的权限。问题是如何修改I/O映射表？阅读了porttalk和winio的源代码后， 发现所谓的iopm还是需要通过驱动代码修改映射表，此外你还需要修改当前进程的映射表偏移地址。当我们费力的写好近千行代码，换来的好处就是真的可以在 用户模式下以较快的速度存取端口了。欣欣然的你不妨用文初给出的测试程序来检查一下成果：

    如果把驱动编程想得这么的简单，那你就有些过于乐观了。现在尝试另一个端口，比如串口的0x3f8，看看有什么奇怪的事情发生？这次读出了 0xff，那么0x3f9呢，还是0xff，一直读完串口的所有端口，结果都是0xff。假如我们首先用CreateFile来打开串口，怎么读出的值不 再是0xff了，如果关闭了串口再来读一读，结果又是0xff了。Google或baidu后，发现串口原理的资料很少，换个思路来查，查询串口的主要芯 片——从8250一直搜索到16550A，这下果然搜出了有价值的资料，如《Interfacing the Serial RS232 Port》，《串行输入输出接口》，《常用的输入输出接口芯片》，《UART 内部寄存器对应端口及用途》等。但这些资料只说明了一个问题——很久很久以前，在DOS下是如何发送串口指令的——却还是没有解决Windows下的问 题。
    让我们再换一下思路。从DevView里看到串口驱动的基本情况，原来串口的PDO是ACPI。

    阅读《Advanced Configuration and Power Interface Specification》，可知ACPI是微软和几个厂家制定的协议，不由得想起使用WINPE启动的时候选择了ACPI，结果机子一次次的重启，本 杂牌机无论从外观还是认证标签上看极象兼容ACPI，但假货毕竟是假货。折腾了半天后，因我们的目的不在于如何写ACPI驱动，故这个问题的答案即使和它 有关，也请暂时绕过（实践会证明，很多问题都是冤家路窄，避是避不过的^_^。对ACPI调用IoCallDriver后，激活了串口）。

三、串口代码之实践

    本篇最终目的是阅读并调试串口程序，因笔者使用的DDK版本是3790的，源代码位在WINDDK\3790\src\kernel \serial下。首先我们要做的是完善串口的调试输出信息函数，修改位于log.c下的SerialDbgPrintEx如下：

ULONG
SerialDbgPrintEx(IN ULONG Level, PCHAR Format, ...) // 级别，格式，不定的参数
{
    va_list arglist;
    ULONG rval;
    ULONG Mask = 0;
    ULONG cb;
    UCHAR buffer[SERIAL_DBGPRINT_BUFSIZE];

    RTL_QUERY_REGISTRY_TABLE paramTable[4];
    ULONG zero = 0;

    if (KeGetCurrentIrql() == PASSIVE_LEVEL)
    {
        RtlZeroMemory (¶mTable[0], sizeof(paramTable));
        paramTable[0].Flags = RTL_QUERY_REGISTRY_DIRECT;
        paramTable[0].Name = L"SerialDebugLevelBegin";
        paramTable[0].EntryContext = &SerialDebugLevel; // 保存查询结果
        paramTable[0].DefaultType = REG_DWORD;
        paramTable[0].DefaultData = &zero;
        paramTable[0].DefaultLength = sizeof(ULONG);

        paramTable[1].Flags = RTL_QUERY_REGISTRY_DIRECT;
        paramTable[1].Name = L"SerialDebugLevelEnd";
        paramTable[1].EntryContext = &SerialDebugLevelEnd; // 保存查询结果
        paramTable[1].DefaultType = REG_DWORD;
        paramTable[1].DefaultData = &zero;
        paramTable[1].DefaultLength = sizeof(ULONG);

        paramTable[2].Flags = RTL_QUERY_REGISTRY_DIRECT;
        paramTable[2].Name = L"SerialDebugLevelCloseHigh";
        paramTable[2].EntryContext = &SerialDebugLevelCloseHigh; // 保存查询结果
        paramTable[2].DefaultType = REG_DWORD;
        paramTable[2].DefaultData = &zero;
        paramTable[2].DefaultLength = sizeof(ULONG);

        RtlQueryRegistryValues( RTL_REGISTRY_ABSOLUTE | RTL_REGISTRY_OPTIONAL,
            SerialGlobals.RegistryPath.Buffer, // HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Serial
            ¶mTable[0], // 以全0的结尾表结束，这样一次就可以查询多个值了
            NULL,
            NULL);
        Mask = Level;
    }
    else if (SerialDebugLevelCloseHigh == 1) // 不显示高irql信息
    {
        return STATUS_SUCCESS;
    }

    if (Mask < SerialDebugLevel || Mask > SerialDebugLevelEnd) {
        return STATUS_SUCCESS;
    }

    va_start(arglist, Format); // arglist越过了格式串，指向了参数

    cb = _vsnprintf(buffer, sizeof(buffer), Format, arglist);

    if (cb == -1) { // 串长于buffer
        buffer[sizeof(buffer) - 2] = '\n';
    }

    DbgPrint("IRQL %d, SERIAL: %s", KeGetCurrentIrql(), buffer);
    //rval = vDbgPrintEx(DPFLTR_SERIAL_ID, Level, Format, arglist);

    va_end(arglist);

    rval = STATUS_SUCCESS;

    return rval;
}

    往注册表里添加 SerialDebugLevelBegin，SerialDebugLevelEnd，SerialDebugLevelCloseHigh三键，我们 可以更灵活的动态控制调试信息。

    编译好Checked模式的串口驱动程序后，接下来需要替换掉系统自带的串口驱动WINDOWS\system32\drivers\ serial.sys（大小为59KB）。希望你首先按照自己的思路来尝试替换，如果失败了再来尝试如下的方法：

1. 关闭系统还原
2. 改名WINDOWS\system32\dllcache\serial.sys
3. 将WINDOWS\system32\CatRoot目录改名为其他名字
4. 将你编译好的checked模式的串口驱动程序覆盖WINDOWS\system32\drivers\serial.sys
5. 在硬件管理器里删除掉串口驱动，再重新扫描硬件变更，重新安装驱动时可能出现“是否替换…”的提示，选择否，直到你发现驱动目录下的串口驱动 程序确实是你自己编译过的程序
6. 运行Dbgview后在硬件管理器里停止串口驱动，再启动驱动，此时可以看见在Dbgview里看见调试信息（前提是注册表已设好上述三键的 值）

    为了方便阅读代码，简单说明一下串口寄存器。端口0x3f8-0x3fe 用于微机上COM1 串行口，0x2f8-0x2fe 对应COM2 端口。DLAB(Divisor Latch Access Bit)是除数锁存访问位，是指线路控制寄存器的最高位7。

表 UART 内部寄存器对应端口及用途

序号	端口	读/写	条件	用途
0	0x3f8 (0x2f8)	写	DLAB=0	发送保持寄存器。含有将发送的字符。 TRANSMIT_HOLDING_REGISTER
		读	DLAB=0	接收缓存寄存器。含有收到的字符。 RECEIVE_BUFFER_REGISTER
		读/写	DLAB=1	波特率因子低字节（LSB）。DIVISOR_LATCH_LSB
1	0x3f9 (0x2f9)	读/写	DLAB=1	波特率因子高字节（MSB）。DIVISOR_LATCH_MSB
		读/写	DLAB=0	中断允许寄存器。INTERRUPT_ENABLE_REGISTER
				位7-4 全0 保留不用；
				位3=1 modem 状态中断允许；
				位2=1 接收器线路状态中断允许；
				位1=1 发送保持寄存器空中断允许；
				位0=1 已接收到数据中断允许。
2	0x3fa (0x2fa)	读		中断标识寄存器。中断处理程序用以判断此次中断是4种中的那一种。 INTERRUPT_IDENT_REGISTER
				位7-3 全0（8250不用，16550：7-6=11 允许fifo， =00 不允许fifo）；
				位2-1 确定中断的优先级；
				= 11 接收状态有错中断，优先级最高；
				= 10 已接收到数据中断，优先级第2；
				= 01 发送保持寄存器空中断，优先级第3；
				= 00 modem 状态改变中断，优先级第4。
				位0=0 有待处理中断；=1 无中断。
3	0x3fb (0x2fb)	写		线路控制寄存器。LINE_CONTROL_REGISTER
				位7=1 除数锁存访问位(DLAB)。 =0 访问发送保持寄存器、接收缓存寄存器器或中断允许寄存器；
				位6=1 强迫SOUT送出空闲状态；0 禁止间断；
				保持奇偶位 位5=1 偶校验时，校验位=0 奇校验时，校验位=1；0 无数
				位4，3=11 偶校验；=01 奇校验；x0 不加校验位
				位2=1 （5位数据位时）1.5位停止位，（6，7，8位数据位时）2位停止位；=0 1位停止位；
				位1-0 数据位长度：= 00 5位数据位；= 01 6位数据位；= 10 7位数据位；= 11 8位数据位。
4	0x3fc (0x2fc)	写		modem 控制寄存器。MODEM_CONTROL_REGISTER
				位7-5 全0 保留；
				位4=1 芯片处于循环反馈诊断操作模式；（自测试循环）SERIAL_MCR_LOOP
				位3=1 辅助用户指定输出2，允许INTRPT 到系统；SERIAL_MCR_OUT2
				位2=1 辅助用户指定输出1，PC 机未用；SERIAL_MCR_OUT1
				位1=1 使请求发送RTS 有效；SERIAL_MCR_RTS
				位0=1 使数据终端就绪DTR 有效。SERIAL_MCR_DTR
5	0x3fd (0x2fd)	读		线路状态寄存器。LINE_STATUS_REGISTER
				位7=0 保留；
				位6=1 发送移位寄存器为空；
				位5=1 发送保持寄存器为空，可以取字符发送；
				位4=1 接收到满足间断条件的位序列；
				位3=1 帧格式错误；
				位2=1 奇偶校验错误；
				位1=1 超越覆盖错误；
				位0=1 接收器数据准备好，系统可读取。
6	0x3fe (0x2fe)	读		modem 状态寄存器。δ 表示信号发生变化。MODEM_STATUS_REGISTER
				位7=1 载波检测(CD)有效；
				位6=1 响铃指示(RI)有效；
				位5=1 数据设备就绪(DSR)有效；
				位4=1 清除发送（CTS）有效；
				位3=1 检测到δ 载波；
				位2=1 检测到响铃信号边沿；
				位1=1 δ 数据设备就绪(DSR)；
				位0=1 δ 清除发送(CTS)。

#define RECEIVE_BUFFER_REGISTER??? ((ULONG)((0x00)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
// 本文转自 C++Builder研究 - article.asp?i=1060&d=fu044r
#define TRANSMIT_HOLDING_REGISTER? ((ULONG)((0x00)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define INTERRUPT_ENABLE_REGISTER? ((ULONG)((0x01)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define INTERRUPT_IDENT_REGISTER?? ((ULONG)((0x02)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define FIFO_CONTROL_REGISTER????? ((ULONG)((0x02)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define LINE_CONTROL_REGISTER????? ((ULONG)((0x03)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define MODEM_CONTROL_REGISTER???? ((ULONG)((0x04)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define LINE_STATUS_REGISTER?????? ((ULONG)((0x05)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))
#define MODEM_STATUS_REGISTER????? ((ULONG)((0x06)*SERIAL_REGISTER_STRIDE))

    前几章中涉及的代码量不过千行左右，此次阅读的个别子例程代码量已达到上千行，所以要特别注意阅读的技巧。首先大略了解各文件的基本功能， 从DriverEntry起，分步阅读各个派遣例程，适时记录流程中涉及的关键函数，至少读懂全部代码的45％并攻克本文提出的问题。
    如果你已经开始厌烦没完没了的书写重复的代码，那么你就应该有所理解为何微软在KMDF模型下提供现成的PNP和电源管理代码的原因了。

四、结语

    如果不理解何为“浮光掠影”，阅读了本文后就应该有原来如此的感觉了。
我们的目的是文件系统驱动编程，为何要涉及硬件驱动编程的学习？原因很简单，硬件驱动编程和文件系统编程在出现分叉点之前的知识是通用的，必须扎实的掌 握。我们在篇二时已经实现了一次三级跳，今天这次跳跃将使你的水平更加接近文件系统编程所需要的层次。
    至此驱动编程的基础知识都已有所接触，如果你对资料1的前八章知识仍感到困难，不妨放松心情，休息几天，找出原因后继续前进。我希望大家完成本篇 的时候，时间应控制在三个半月以下（应该算是严格的要求，但我相信大家的智慧）。接下来我们将使用三个月的时间学习文件系统的基本知识，并投入六个月以上 的时间进行实践。希望一年之后，您有脱胎换骨的感觉。