原创发现新硬件的前前后后（连载之二）

 2006-12-19 17:13  5753 13 13 分类: 通信

5．Windows 95：构筑即插即用的理论体系<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

即插即用系统的设计目标就是使普通用户安装新硬件的操作更容易，减少麻烦事。1995年，微软公司在其发布的Windows 95操作系统中率先提供了对即插即用技术的支持，即插即用技术从此走上了不断发展的道路。即插即用操作系统能够动态地分配和管理系统资源，有效地避免资源冲突，提高了电脑的可靠性和易用性。

Windows也好，Linux也罢，操作系统就是一个管理和利用好硬件资源、然后为应用程序做好服务的一个“中间件”。操作系统的主要任务是将设备、主机（包括BIOS）与设备驱动程序三者结合起来。为此，操作系统要完成两个基本任务：一是为设备配置资源，让设备在主板上占有一席之地；二是为设备选择匹配的驱动程序，以便在需要时可以调用它。

前文曾提到，操作系统对一些基本的硬件（如键盘、鼠标和软驱、硬盘等）进行操作时，是通过调用BIOS的中断服务程序实现的。因为这些BIOS所支持设备的驱动程序固化在BIOS中，系统通过调用软件中断的方式来执行它们，因此称为中断服务程序。对于BIOS所不支持的设备，操作系统需要操作和管理这些设备时，就要利用设备驱动程序。

驱动程序是随新硬件而来的用于管理硬件的程序，可别小看了它的作用。如果把新硬件比作新娘，驱动程序就是陪嫁的仆人，她既了解新娘的嗜好和习惯，对新主人也惟命是从。驱动程序执行操作系统给出的任务，去与硬件打交道，并将执行结果返回给操作系统。

操作系统安装驱动程序，就是让操作系统、驱动程序和新硬件三者之间实现无缝连接。已经安装的设备驱动程序保存在\WINDOWS\SYSTEM目录中，注册表中记录了驱动程序的位置及文件名、版本号等详细信息。操作系统欲对某设备进行操作时，可以立即找到它，并把操作任务交给它去做。操作系统软件之所以越来越庞大，其中一个主要原因就是其中捆绑了更多的驱动程序，这样就让更多的设备可以实现无人值守的安装了。

说了半天，Windows发现和安装硬件驱动程序的究竟是怎样一个过程呢？这大概才是大家最想知道的。Windows利用“PnP管理器”和“I/O管理器”这两个家伙来发现和完成新设备安装，如图3。

图3 即插即用系统信息流程

新设备插入后，即PnP管理器会发现它，然后告诉用户说：“发现了新硬件”。之后，它会默不作声地去注册表中寻找，看有没有现成的驱动程序，如果能找到，就告诉用户，你安装的新硬件已经可以使用了。如果没有找到与这台设备相匹配的驱动程序，就会提醒用户说，我找到你所安装的设备，但还要请你插入这台设备的驱动程序盘。用户把驱动程序盘给了它，它立即打开盘上的.inf文件（inf的意思是install information，安装信息），检查.inf文件里的标志与新设备的标志是否相同，如果相同，它就会依照.inf文件里提供的路径去找驱动程序，找到之后，后面的工作交给I/O管理器去做，由I/O管理器来完成驱动程序的安装工作。I/O管理器当然也不是白干活，它成了驱动程序的新主人，驱动程序以后就听它使唤了。

6．即插即用理论的最新发展

Windows 95首创了即插即用的理论架构，但它却远不是一个可靠的解决方案，也因此得了一个绰号Plug and Pray（即插即祈祷）。Windows98、Windows2000直至现在最新Windows XP都对即插即用技术进行了不断完善。

Windows2000对Windows95的即插即用模式进行了重大变革，Window2000采用新型的WDM（Windows Driver Model，Windows驱动模型）体系结构，对于为Windows 95和Windows 98所编制的VxD（虚拟设备驱动）程序不提供支持。相比之下，Windows98还是一个过渡产品，在使用WDM的同时，也保留了对VxD的支持。

Windows2000对即插即用的支持是按照ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，高级配置和电源接口）规范来处理的，所有电源管理和配置设置都处于操作系统的控制之下，而不再受BIOS控制。BIOS与操作系统在资源配置问题上分庭抗礼的局面已经结束，BIOS不再对资源进行配置，其主要任务转变成为ACPI创建一个“资源需求表”供操作系统使用。这种新的控制模式使Window2000对即插即用的支持比Window95具有更为广泛的适应性。

Windows 2000对资源实行动态分配，多台设备可以共享同一IRQ，这个特性可以使用户添加多个硬件而不用关心硬件冲突的事情。你可能看到在设备管理器中许多设备共同使用一个IRQ，比如IRQ9，但每一台设备都可以正常运转。

最新的Windows XP与Windows 2000的内核基本相同，能够更好地支持一些新近出现的设备，如DVD和IEEE1394接口的AV设备等。Windows XP将即插即用应用范围扩展到了整个网络上，可以发现和控制网络打印机、Internet网关以及消费电子设备。

为了确保硬件对即插即用操作系统的支持，Microsoft对硬件制造商提供硬件及驱动程序的PnP兼容性测试服务，获得通过的硬件和驱动程序可获得Microsoft的Designed for Windows标志及驱动程序的数字签名。目前，这一技术已经被纳入到Windows 2000和Windows XP的即插即用管理器中。

7．开放体系结构：即插即用的基石

20年前，IBM、Intel和微软在个人计算机制造业的联姻，诞生了开放的PC工业标准，标志着个人计算机应用时代的全面到来。开放的硬件体系结构、统一的操作系统和应用软件，这个一统江湖的标准沿用至今。

开放体系可以让各种设备非常容易地连接在一起。“基于简单扩展总线的开放体系结构” 的出现是电脑的一次革命，也是PC最重要的概念。如果没有开放体系，从工厂造出来的电脑一切都不能更改，不能扩充功能，不能升级，电脑就是一个死机器。一句话，没有开放体系结构，新硬件压根儿无从谈起。

开放体系结构已经沿用了20年，现在仍然可以把最早期的PC扩展卡插在最新的PC主板上并保证正常工作，这就是开放标准的魅力所在。ISA是最早的总线标准，最初为8位数据宽度，运行速度为4.77MHz，与当时的CPU速度相同。后来发展为16位,运行速率达到8MHz，今天仍然有一些ISA板卡在使用中。

PCI总线标准是ISA的替代者，数据传输速度提高到了133MB/s，最高甚至可达533MB/s(总线数据位宽为64bit和总线工作频率为66NHz时)，这使ISA总线望尘莫及。另外，PCI比ISA“聪明”多了，可以共享中断申请 (IRQ)，支持即插即用，这是一大进步。只要将适配卡插入PCI插槽，不用设置跳线开关，不用选择IRQ、DMA通道、I/O接口地址和存储器地址，系统就自动检测到并分配资源，马上便可以使用了。另外，使用PCI网卡，还可以实现远程唤醒，它是通过PCI插槽的A19引脚连接到ACPI控制器的一个唤醒信号PME（Power Management Event，电源管理事件）实现的。

USB和IEEE1394的诞生和发展，给开放式体系结构注入了新的活力。这两种接口最大的特点是支持热插拔，电脑用户通过它们第一次体验到即插即用带来的好处。另外，它们都具有极高的数据传输率，顺应了历史发展潮流，因此近几年得到了迅速发展。新出现闪存盘和数码产品一开始就采用这两种接口，一些老的设备（如打印机和扫描仪等）为了提高速度，也开始从并行接口向USB接口转移。

8．Device ID：即插即用设备身份证

前面曾经谈到，为了保证硬件对即插即用的支持，微软对设备制造商提供的驱动程序进行测试认证。驱动程序通过测试以后，微软硬件质量实验室（WHQL）会返回设备制造商送检的驱动程序文件和一个.cat文件（catalog，目录），.cat文件含有Microsoft的数字签名（也叫“驱动程序签署”或“代码签署”）信息。这样，制造商便可将这个.cat文件包括进驱动程序包中提供给最终用户，用于硬件安装的数字签名审核。经过数字签名的设备信息可以在微软公司的网站上找到。

驱动程序经过数字签名后，制造商可以在其产品上署名“Designed for Windows”标志，同时拥有一个与数字签名相匹配的Device ID（设备识别码）。Device ID是一个4位的16进制数，保存在设备的ROM芯片中，它就是该设备的身份证，具有全球唯一性。安装驱动程序时，安装程序中的数字签名程序将读取Device ID，以检验驱动程序的合法性和PnP兼容性。驱动程序安装后，其Device ID和其他一些能够进一步标识该设备的详细信息被记录在注册表的HKEY_LOCAL_MACHINE\Hardware\Description\System子键中，其中除了Device ID，还有Vendor ID（制造商识别符）、subsystem ID和revision ID等更为详细的设备信息。