浅谈Windows中的PNP和电源特性

这一节讲述一般设备的PNP和电源特性。PNP特性PNP是Plug And Play的简称，代表和外部设备插拔有关事件的处理。PNP是现代操作系统必须支持的基本特性，其目的是希望操作系统能够在软硬件支援下，在基本无需用户干预的情况下，即可很好地处理外部设备的接入和移除操作；当设备配置发生动态变更时，系统也能悄没生息地处理好，并一切正常地使用它们。有些笔记本是当成工作站来用的，这样就需要很多外部接口。但一般的笔记本，局限于物理空间，不能够提供过多的外部接口，会使用接口坞来扩展。大的接口坞上通常有十几、数十个扩展接口，来满足工作站的接口要求。其实，一些移动设备，如手机、平板电脑，也使用接口坞的方式实现扩展，不过接口少一些。接口坞接入主机的时候，系统如果有PNP支援，就能够直接使用上面的接口了，不用重启系统，一般也不用手动安装设备驱动。PNP特性，需要操作系统、驱动程序和硬件的三方支持。缺了某一方都不能实现。比如PCI设备，虽然可以在PCI驱动程序中实现某种程度的PNP支持，但因为设备本身的电气化特性，是不支持PNP的，所以我们仍不能热插拔PCI设备。另外一种情况是，如果设备驱动写得不好，未能正确地处理PNP请求，那么即使设备本身是支持热插拔的，也会有问题。比如现在很多定制的USB设备，如加密U盘、网银密码器等，如果驱动写的不好，用户往往会在插拔设备的时候遭遇蓝屏。概括地讲，为了很好地支援PNP特性，需要做到下面几点：运行时识别设备。不仅在系统初始化的时候，能识别并正确配置设备。在系统正常运行的过程中，如果有设备动态接入，也能够正确识别并配置设备；如果设备动态移除，也能够正确响应并回收系统资源。系统还需要为设备动态加载设备驱动程序。设备的驱动信息保存在注册表中，系统从注册表中查找设备的驱动信息。如果注册表中找不到相关记录，系统会尝试自动为设备安装驱动，否则就通过UI界面，要求用户手动安装驱动。动态配置设备。操作系统为设备动态地分配系统资源，设备可能需要用到的资源包括：IO地址空间、物理内存映射、中断、DMA等。设备驱动再根据它所动态获取的资源来配置设备。比如一个支持硬件中断的设备，它每次从系统处获得的中断号，都可能不同。那么设备和驱动程序，就不能假定设备的中断号是一个固定的值。PNP接口。操作系统中有一个PNP管理器模块，包含用户和内核两个子模块，所以它能够对用户程序和内核驱动分别提供PNP支持。它们和设备驱动、用户程序之间，有一个定义良好的接口。这个接口用来互相通知PNP事件。简略地讲，它包含三个方面：1. 当PNP管理器检测到PNP事件的时候，能够把这些事件通知给设备驱动。包括设备接入、移除、异常移除等。2. 当设备驱动需要向系统报告子设备的时候，能把这个信息通知给系统。当用户程序想动态移除指定设备的时候，也可能通过UI程序实现，这些UI程序实际上是调用了系统提供的PNP接口来实现的。比如我们在移除U盘设备的时候，一般不会直接拔除，而是先通过托盘栏中的弹出设备程序移除设备，以免破坏数据。3. 驱动或用户程序，还可以通过注册通知函数，来接收PNP通知。比如内核驱动可以通过调用IoRegisterPlugPlayNotification函数注册一个通知函数，当感兴趣的目标发生PNP事件时，PNP管理器就会调用它的通知函数，并通过参数告知它PNP事件的详细信息。用户程序也可以通过WM_DEVICECHANGE消息来接收设备PNP的通知。这套接口，主要由PNP管理器所提供的若干接口函数，若干类型为IRP_MJ_PNP的IRP包，及驱动程序所提供的AddDevice回调来实现。电源特性电源操作的目的是类似的，也是为了能够在用户尽量少介入的情况下，就能够正确地配置和使用外部设备。现代计算机和操作系统，都实现了多个级别的系统和设备电源状态。系统和设备可以在这些电源状态之间进行切换，并达到正常情况下全力供电，空闲情况下尽量省电的目的。系统的电源状态用S0-S5来标识。S0是正常状态，S1-S3是休眠状态，但休眠的深度有差别，S4是睡眠状态，S5是软关机状态（Soft Off，不完全等同于断电）。除了S0和S5这两个必须支持的状态外，系统还支持哪些电源状态，是由系统BIOS决定的。一般来讲，计算机系统都会支持S3和S4这两个状态。否则除了开机就是关机，电脑用起来会很麻烦。设备的电源状态用D0-D3来标识。D0是正常状态，D1-D2是休眠状态，但深度有差别，D3是断电状态。其中D3还分Hot和Cold两种子状态。在D3Hot状态下，设备的功能已丧失但仍有外部或总线供电，使得设备本身还能被系统检测到。和设备相连的控制器设备认为此设备还连接着，只要控制器上有设备连接着，控制器就要处于工作状态。但在D3Cold状态下，系统已检测不到设备，这可能是由于设备的已经断电了，或者系统本身已经处于休眠状态而导致的。和设备连接的控制器，已经不认为设备和自己连着，在其它条件满足的情况下，控制器可以进入完全的休眠状态。设备电源状态，需要由设备本身和设备驱动一起来实现。有些设备只支持正常和断电两种状态（即D0和D3），而没有休眠的功能。那么设备驱动只需要处理D0和D3两种状态即可。有些设备则提供了休眠功能（即可进入D1或D2状态），驱动程序在这种情况下，仍然可以决定支持或不支持设备的休眠状态。在支持的情况下，当设备进入休眠状态时，驱动程序负责关闭部分硬件模块，让其它模块继续工作。系统中有一个电源管理器模块，它负责系统范围内的电源策略。当系统的电源状态发生变化时，它负责把要进行的电源操作及电源状态，通知给每个设备栈，让它们来处理电源变化。设备驱动需正确地处理电源事件，有很多系统蓝屏就发生在驱动程序处理电源事件的过程中。物理设备的功能设备驱动，一般就是这个物理设备的电源策略制定者，功能设备驱动在设备初始化的时候，会把设备电源状态映射到系统电源状态，并把这个映射汇报给电源管理器。这样电源管理器就可以根据系统电源状态，发送相应的设备电源状态给设备驱动。这个映射体现在设备管理器程序中的设备属性界面中，我们可以通过它来观察不同设备的电源状态映射。下图就是一个例子：