设备驱动程序

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实验性质：验证＋设计 建议学时：2学时

一、实验目的

? 调试EOS串口驱动程序向串口发送数据的功能，了解设备驱动程序的工作原理。 ? 为EOS串口驱动程序添加从串口接收数据的功能，进一步加深对设备驱动程序工作原理

的理解。

二、预备知识

2.1 串口控制器8250工作方式

这里简单讲解8250的工作方式，更多内容请参考计算机接口技术类书籍。

8250是一种异步串行可编程输入/输出芯片，能实现全双工、多种波特率的串行通信，还能对调制解调器实施全面控制。8250可以工作在查询模式和中断模式下。在中断模式下的工作方式如下: 发送数据

首先将一个字符（字节）放入THR寄存器（发送保持寄存器），THR寄存器中的数据会被8250自动传送到移位发送寄存器进行发送。THR中的数据发送完毕后，8250会触发一次中断，此时中断处理程序可以将下一个字符放入THR，继续由8250发送。 接收数据

8250每接收到一个字符（字节）后都会将接收到的字符放入RBR寄存器（接收缓冲寄存器）,并触发一次中断,由中断处理程序将RBR寄存器中的字符读出并交给操作系统。 判断中断类型

由于8250触发中断后有上面两种不同的情况,所以中断处理程序需要根据8250的IIR寄存器(中断识别寄存器)的值来判断中断的类型。当IIR寄存器中的值为2时，是THR寄存器空，可以继续发送数据；否则，是RBR寄存器就绪，可以接收其中的数据。 2.2事件对象

阅读《EOS实验指南》5.3节中对Event对象的说明，了解事件同步对象的工作原理和使用方法。事件同步对象在串口设备驱动程序中有很重要的作用。注意，操作事件对象的每个API函数在内核中都有一个内部函数相对应，在内核中操作事件对象时只调用这些内部函数，而不是API函数。

2.3 EOS的设备驱动程序模型

阅读《EOS实验指南》第7章的7.1、7.2、7.3节，了解EOS设备驱动程序模型以及设备驱动程序的工作原理。

参考《EOS实验指南》7.3节中的流程图，阅读向串口发送数据函数SrlWrite和串口中断处理程序函数SrlIsr的源代码（分别在io/driver/serial.c文件的第302行和第348行）。理解使用中断方式实现设备I/O的原理和意义。注意，在函数SrlIsr中还没有完成从串口接收数据的功能。

三、实验内容

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3.1 准备实验

按照下面的步骤准备实验：

1. 启动OS Lab。

2. 新建一个EOS Kernel项目。

3. 在“项目管理器”窗口中双击Floppy.img文件，使用FloppyImageEditor工具打

开此软盘镜像。

4. 将本实验文件夹中的serial.exe文件添加到软盘镜像的根目录中。 5. 点击FloppyImageEditor工具栏上的保存按钮，关闭该工具。

EOS应用程序serial.exe的源代码可以参考本实验文件夹中的SerialApp.c文件。在阅读该文件的源代码时应重点学习三个EOS API函数的用法：

? 打开串口设备函数CreateFile（参数说明见io/io.c第19行定义的IoCreateFile

函数）。该函数最终会调用串口设备驱动程序的SrlCreate函数。 ? 向串口设备发送数据函数WriteFile（参数说明见ob/obmethod.c第123行定义的

ObWrite函数）。该函数最终会调用串口设备驱动程序的SrlWrite函数。

? 从串口设备接收数据函数ReadFile（参数说明见ob/obmethod.c第69行定义的

ObRead函数）。该函数最终会调用串口设备驱动程序的SrlRead函数。

3.2 练习使用EOS应用程序向串口发送数据

按照下面的步骤练习：

1. 按F7生成EOS内核项目。 2. 按F5启动调试。

3. EOS启动成功后，在控制台中输入命令“serial”按回车，启动串口测试程序

serial.exe。程序启动后会显示提示信息和准备向COM2发送数据的提示符“>>”。 由于虚拟机上的COM2和主机上的COM7已经建立了连接，所以在向虚拟机的COM2发送数据之前，要先启动主机上的“Terminal”工具，准备从COM7接收数据：

1. 在OS Lab的“工具”菜单中选择“Terminal”，启动“Terminal”工具。 2. 在“连接到”对话框中选择COM7，点击“确定”按钮。

3. 在“属性”对话框中点击“确定”按钮，使用默认设置。接下来就会显示Terminal

的输入输出窗口，用于显示从COM7接收到的数据和向COM7发送的数据。

4. 此时激活虚拟机窗口，在EOS控制台中输入任意字符串并按回车后，Terminal会

接收到由serial.exe发送到串口COM2的内容。例如在serial中输入“hello”后按回车，Terminal会接收到并显示“hello”，如图1：

图1：Terminal接收数据

5. Serial.exe将输入内容发送到COM2后，会立刻调用API函数ReadFile从COM2读

取数据。由于当前EOS的串口驱动程序尚未实现从串口读取数据的功能，所以ReadFile返回了错误，serial.exe就退出了，如图2。

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图2：serial.exe从串口接收数据失败后退出

6. 结束此次调试。关闭Terminal工具。 3.3调试EOS串口驱动程序向串口发送数据的功能

在为EOS串口驱动程序添加从串口接收数据的功能之前，先通过调试发送数据功能，了解发送数据的工作原理，在此基础上，就能够较轻松的完成接收数据功能。在调试时要重点理解下面几个方面：

? 发送完成事件的作用。 ? 环行缓冲区的作用。

? 对8250寄存器的操作和中断处理过程。 按照下面的步骤进行调试：

1. 在OS Lab“项目管理器”窗口中打开串口驱动程序源文件io/driver/serial.c。

在函数SrlWrite的第一行（310行）和最后一行（341行）分别添加一个断点；在函数SrlIsr的第一行（352行）添加一个断点；在函数SrlRead唯一的一条返回语句所在行（295行）添加一个断点。 2. 按F5启动调试。 3. 在内核初始化过程中，初始化8250控制器时会触发一个8250中断，并命中SrlIsr

中设置的断点，按F5让EOS继续执行忽略此次中断。

4. 激活虚拟机窗口，在EOS控制台中输入命令“serial”按回车。

5. 在OS Lab的“工具”菜单中选择“Terminal”工具，并按3.2节中的方法打开串

口COM7并进入工具的输入输出窗口。

6. 在EOS控制台中输入“12345”共5个字符后按回车。

7. 在向串口发送数据时，serial应用程序调用了EOS的API函数WriteFile，而

WriteFile最终调用了串口驱动程序的SrlWrite函数，所以会命中设置在SrlWrite函数第一行的断点。打开“调用堆栈”窗口验证函数调用的层次。 8. 将鼠标指针移动到SrlWrite函数参数Request上，可以查看其值为6。说明要发送

包括“12345”和字符串结束符“\\0”在内的6个字符。

9. 对照SrlWrite的流程图，按F10单步跟踪该函数的执行过程。当变量Data被赋值

后，查看变量的值为0x31（字符“1”的ASCII代码）。当执行语句（第332行）： WRITE_PORT_UCHAR(REG_PORT(DeviceObject, THR), Data);

后，将会命中设置在SrlIsr中的断点，开始调试中断处理程序。激活Terminal工具窗口，可以看到已经接收到字符“1”。

尝试根据对8250中断处理方式的理解，说明在执行第332行语句后会进入中断处理程序的原因。此时，应用程序线程被阻塞在SrlWrite函数中（第337行），直到缓冲区中的数据发送完毕后才会被唤醒，并从第337行继续运行。注意，在第337行等待的事件对象是一个自动事件对象，即从该行函数返回后，事件对象就会自动变为无效（Nonsignaled）状态。

在应用程序线程被阻塞期间，串口中断处理程序完成了将缓冲区中的数据发送到8250

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的工作：

1. 对照SrlIsr的流程图，按F10单步跟踪该函数的执行过程。它会首先根据IIR寄

存器判断中断类型，如果是THR寄存器空，会从发送缓冲区中读取下一个字符’2’并写入THR寄存器来进行发送。

2. SrlIsr执行完最后一条语句时按F5继续运行。此后会命中SrlIsr中的断点5次，

每次命中都说明8250发送了一个字符，观察Teminal工具的窗口，都会看到又接收到了一个字符。

3. 在跟踪SrlIsr的第6次执行时要注意，因为此时缓冲区已空，SrlIsr会执行语句：

PsSetEvent(&Ext->CompletionEvent);

设置发送完成事件有效，从而唤醒等待发送完成的应用程序线程。此后再按F5继续运行，会命中设置在函数SrlWrite最后一行的断点，说明应用程序线程被唤醒后开始继续运行。 4. 此时按F5继续运行，应用程序会从WriteFile函数返回并调用ReadFile函数从串

口接收数据，就会命中函数SrlRead中设置的断点。

5. 由于SrlRead尚未实现，仅仅返回了STATUS_NOT_SUPPORTED错误码，所以按F5继

续后serial将会得到ReadFile执行错误的结果，serial退出运行。 6. 结束此次调试。关闭Terminal工具。

3.4为EOS串口驱动程序添加从串口接收数据的功能 3.4.1 要求

完成SrlRead函数，使应用程序serial.exe在调用ReadFile时能够从COM2接收数据。 3.4.2 测试方法

1. EOS内核项目代码修改完毕后，按F7生成项目。 2. 按F5启动调试。

3. 按照之前练习的方法启动serial.exe和Terminal工具。 4. 在EOS控制台输入字符串并发送到Terminal工具后，从Terminal工具输入字符串

应该可以再发送到EOS控制台，并可以交替的进行输入输出。如图3和图4：

图3：serial.exe从串口发送和接收数据

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图4：Terminal从串口发送和接收数据

3.4.2 提示

1. 在串口设备扩展块结构体定义中添加一个接收缓冲区和一个接收缓冲区非空事件。

在io/driver/serial.c第28行提示的位置添加下面的代码： PRING_BUFFER RecvBuffer; // 接收数据缓冲区

EVENT RecvBufferNotEmpty; // 当接收缓冲区非空时处于signaled状态

2. 在EOS启动初始化时会添加设备对象，此时需要初始化设备对象中的成员。所以，

在io/driver/serial.c文件的函数SrlAddDevice中提示的位置（第190行）添加下面的代码：

// 创建一个256字节的用于接收数据的环形缓冲区 Ext->RecvBuffer = IopCreateRingBuffer(256);

// 初始化接收缓冲区非空事件，手动类型，nonsignaled状态。 PsInitializeEvent(&Ext->RecvBufferNotEmpty, TRUE, FALSE); 3. 在打开串口设备时，需要清空之前接收到缓冲区中的数据。在io/driver/serial.c

文件的函数SrlCreate中提示的位置（第256行）添加下面的代码： // 清理设备未打开时接收到缓冲区中的数据，

// 注意，下面对接收缓冲区的操作可能会和中断处理程序的接收操作冲突， // 所以要关闭中断。

IntState = KeEnableInterrupts(FALSE); IopClearRingBuffer(Ext->RecvBuffer); PsResetEvent(&Ext->RecvBufferNotEmpty); KeEnableInterrupts(IntState);

4. 由于只要串口连接线上有数据送来，8250就会自动将数据接收到RBR寄存器中，

并触发中断，这种被动的方式和发送数据的过程是不一样的。所以，在串口中断处理程序中，每次接收到数据后，都需要将接收到的字符放入缓冲区，并设置接收缓冲区非空事件为有效状态。在io/driver/serial.c文件的函数SrlIsr中提示的位置（第393行）添加下面的代码：

// 将接收到的数据写入接收缓冲区，然后设置接收缓冲区非空事件有效。 // 注意，不能等到缓冲区满了之后才唤醒线程，因为线程被唤醒后， // 仅仅进入就绪状态，并不一定能够立刻运行，这期间如果再接收到 // 数据就会引起缓冲区溢出了。

IopWriteRingBuffer(Ext->RecvBuffer, &Data, 1); PsSetEvent(&Ext->RecvBufferNotEmpty);

5. 最后使用下面的代码替换io/driver/serial.c文件的函数SrlRead（第294行）

的函数体，并在此函数中完成接收数据操作。 {

BOOL IntState; // 保存关闭中断时返回的中断状态

ULONG Count; // 保存实际从缓冲区中接收到数据的数量 PDEVICE_EXTENSION Ext =

(PDEVICE_EXTENSION)DeviceObject->DeviceExtension;

// 在此添加代码

*Result = Count;

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return STATUS_SUCCESS; }

添加的代码可以按如下过程执行：

1) 调用函数PsWaitForEvent等待接收数据缓冲区非空事件，直到接收数据缓冲

区中有数据。

2) 调用函数KeEnableInterrupts关闭中断。

3) 调用函数IopReadRingBuffer尝试从接收数据缓冲区中读取Request数量的字

符到Buffer中，将实际读取的字符数量（函数返回值）赋值给变量Count。函数IopReadRingBuffer的定义和调用方法见io/rbuf.c的第109行。 4) 调用函数IopIsRingBufferEmpyt判断缓冲区是否变为空。如果缓冲区变为空，

就需要调用PsResetEvent函数设置缓冲区非空事件为无效。 5) 调用函数KeEnableInterrupts打开中断。

四、思考与练习

? 练习调试应用程序调用CreateFile函数打开设备的过程。练习调试应用程序调用

CloseHandle函数关闭设备的过程。通过这些调试加深对EOS设备驱动程序模型的理解，尝试说明这些操作设备的API函数（包括CreateFile、WriteFile、ReadFile和CloseHandle）和设备驱动程序是如何隐藏设备细节的，以及这样做的意义。 ? 在io/driver/serial.c文件的SrlAddDevice函数中，将发送数据缓冲区初始化为

了256个字节的大小。尝试将该缓冲区初始化为8个字节的大小，然后使用serial.exe向串口发送大量数据（例如16个字符的字符串），调试此时SrlWrite函数执行的过程。体会缓冲区大小对程序执行效率造成的影响。

? 在io/driver/serial.c文件的SrlWrite函数中，向串口发送数据时能否不使用缓

冲区？如果能不使用缓冲区，尝试修改代码实现你的想法，并说明在不使用缓冲区的情况下对程序执行效率造成的影响。

? 在io/driver/serial.c文件的SrlRead函数中，访问接收数据缓冲区时必须关闭中

断，思考这样做的原因。在SrlWrite函数中访问缓冲区时为什么不需要关闭中断呢？思考中断在设备I/O中的重要作用和意义。

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return STATUS_SUCCESS; }

添加的代码可以按如下过程执行：

1) 调用函数PsWaitForEvent等待接收数据缓冲区非空事件，直到接收数据缓冲

区中有数据。

2) 调用函数KeEnableInterrupts关闭中断。

3) 调用函数IopReadRingBuffer尝试从接收数据缓冲区中读取Request数量的字

符到Buffer中，将实际读取的字符数量（函数返回值）赋值给变量Count。函数IopReadRingBuffer的定义和调用方法见io/rbuf.c的第109行。 4) 调用函数IopIsRingBufferEmpyt判断缓冲区是否变为空。如果缓冲区变为空，

就需要调用PsResetEvent函数设置缓冲区非空事件为无效。 5) 调用函数KeEnableInterrupts打开中断。

四、思考与练习

? 练习调试应用程序调用CreateFile函数打开设备的过程。练习调试应用程序调用

CloseHandle函数关闭设备的过程。通过这些调试加深对EOS设备驱动程序模型的理解，尝试说明这些操作设备的API函数（包括CreateFile、WriteFile、ReadFile和CloseHandle）和设备驱动程序是如何隐藏设备细节的，以及这样做的意义。 ? 在io/driver/serial.c文件的SrlAddDevice函数中，将发送数据缓冲区初始化为

了256个字节的大小。尝试将该缓冲区初始化为8个字节的大小，然后使用serial.exe向串口发送大量数据（例如16个字符的字符串），调试此时SrlWrite函数执行的过程。体会缓冲区大小对程序执行效率造成的影响。

? 在io/driver/serial.c文件的SrlWrite函数中，向串口发送数据时能否不使用缓

冲区？如果能不使用缓冲区，尝试修改代码实现你的想法，并说明在不使用缓冲区的情况下对程序执行效率造成的影响。

? 在io/driver/serial.c文件的SrlRead函数中，访问接收数据缓冲区时必须关闭中

断，思考这样做的原因。在SrlWrite函数中访问缓冲区时为什么不需要关闭中断呢？思考中断在设备I/O中的重要作用和意义。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ss18.html