Драйвер клавиатуры реализующий функции музыкального синтезатора на клавиатуре для Windows NT 5 (стр. 3 из 8)

Рис. 2.5. Стек клавиатуры

2.6 Kernel Streaming

Kernel streaming (KS) – это совокупность функций Windows NT 5, которые обрабатывают в режиме ядра потоковые данные, такие как аудио и видео-данные. WDM аудио-драйвер предоставляет системе свои музыкальные функции, как набор фильтров KS. Объект KS фильтра может расширить функции аудиоадаптера, если требуется дополнительная цифровая обработка аудио-потоков, которые идут через этот фильтр. Например, фильтр может преобразовывать форматы потоков, синтезировать или смешивать потоки.

Фильтр может содержать несколько пинов. Пин является точкой входа или выхода, через которую аудио-поток входит или покидает фильтр. У каждого пина есть определённый формат данных, и данные только этого формата могут проходить через пин.

Пины могут быть подсоединены к пинам других фильтров, что позволяет создавать графы фильтров. Для того чтобы быть частью графа аудио-фильтров, фильтр должен содержать не менее одного пина.

KS-фильтр – это объект ядра и к нему можно получить доступ используя HANDLE. Обращение к объекту пина производится также с использованием HANDLE. Данные входят во входные пины, проходят соответствующую обработку в узлах фильтра и выходят из выходящих пинов, как показано на рис. 2.6.

Рис.2.6. Схема аудио-фильтра

2.7 Описание формата MIDI-данных

Формат МИДИ - Musical Instrument Digital Interface. Существует 16 миди каналов (0..15). На каждом из них в одно и то же время может находиться один инструмент.

Всего существует 128 разных инструментов (0..127). Каждый инструмент занимает определенную позицию в общей структуре тембровой схемы – таблица 2.1. Каждый инструмент имеет 128 нот (0..127).

Простейшая MIDI-команда состоит из 3 байт, которые отправляются MIDI-устройству.

MIDI-команды, которые используются в данной курсовой работе:

Утановить инструмент Instrument в канале Channel

InstrumentByte[0] = 0xC0 | Channel;

InstrumentByte[1] = Instrument;

InstrumentByte[2] = 0;

Воспроизвести ноту Note в канале Channel на максимальной громкости

NoteOnByte[0] = 0x90 | Channel;

NoteOnByte[1] = Note;

NoteOnByte[2] = 0x7F;

Выключить воспроизведение ноты Note в канале Channel

NoteOffByte[0] = 0x80 | Channel;

NoteOffByte[1] = Note;

NoteOffByte[2] = 0x00;

Таблица 2.1 Инструменты MIDI

Acoustic Grand Piano Bright acoustic piano Electric grand piano Honky-tonk piano Electric piano 1 Electric piano 2 Harpsichord Clavi Celesta Glockenspiel Music box Vibraphone Marimba Xylophone Tubular bells Dulcimer Drawbar organ Percussive organ Rock organ Church organ Reed organ Accordian Harmonica Tango accordian Acoustic guitar (nylon) Acoustic guitar (steel) Jazz guitar Clean electric guitar Muted electric guitar Overdrive guitar Distortion guitar Guitar harmonics Accoustic bass Fingered bass Picked bass Fretless bass Slap bass 1 Slap bass 2 Synth bass 1 Synth bass 2 Violin Viola Cello

Contrabass Tremolo strings Pizzicato strings Orchestral harp Timpani String ensemble 1 String ensemble 2 Synth. strings 1 Synth strings 2 Choir ahh Choir oohh Synth voice Orchestral hit Trumpet Trombone Tuba Muted trumpet French horn Brass section Synth brass 1 Synth brass 2 Soprano sax Alto sax Tenor sax Baritone sax Oboe English horn Bassoon Clarinet Piccolo Flute Recorder Pan flute Blown bottle Shakuhachi Whistle Ocarina Square wave Sawtooth wave Caliope Chiff Charang Voice

Fifth's Bass & lead New age Warm Polysynth Choir Bowed Metallic Halo Sweep FX rain FX soundtrack FX crystal FX atmosphere FX brightness FX goblins FX echo drops FX star theme Sitar Banjo Shamisen Koto Kalimba Bagpipe Fiddle Shanai Tinkle bell Agogo Steel drums Woodblock Taiko drum Melodic tom Synth drum Reverse cymbal Guit.fret noise Breath noise Seashore Bird tweet Telephone ring Helicopter Applause Gunshot

2.8 Выбор структуры программного обеспечения

Реализация проекта требует предварительного изучения уже существующих технологий, тщательного отбора методов, удовлетворяющих всем накладываемым заданием условиям. В соответствии с заданием на курсовую работу, необходимо разработать программное обеспечение, позволяющее воспроизводить музыкальные ноты с заданными параметрами при нажатии клавиш. Необходимо выбрать тип и структуру драйвера, который будет получать информацию о нажатых клавишах. Также необходимо выбрать способ доступа к аудиоустройству, способному воспроизводить MIDI-ноты.

2.8.1 Драйвер-фильтр

Из анализа архитектуры Windows XP следует, что для доступа к информации, содержащей коды нажатых или отпущенных клавиш необходимо написать драйвер. Драйвер может получить доступ к кодам нажатых или отпущенных клавиш двумя способами. Либо перехватывая IRP пакеты от других драйверов, либо самостоятельно обрабатывая прерывания от клавиатуры. Предпочтительнее выбрать драйвер-фильтр верхнего уровня, поскольку информация, возвращаемая драйвером клавиатуры, хорошо документирована и описана в литературе. Разрабатываемый драйвер должен быть WDM-драйвером.

Разрабатываемый драйвер-фильтр устанавливается над фильтром Kbdclass. Так как IRP типа IRP_MJ_READ является фактически запросом на чтение данных, то когда он идет вниз по стеку, его буфер пуст. Прочитанные данные буфер будет содержать после завершения IRP. Чтобы эти данные увидеть, фильтр должен установить в свой блок стека IRP процедуру завершения. Место драйвера-фильтра в стеке клавиатуры представлено на рис.2.7.

Рис.2.7. Место драйвера-фильтра в стеке клавиатуры

2.8.2 Получение доступа к аудиоустройству

Для того чтобы воспроизводить звук, используя Kernel Streaming, необходимо:

Перебрать все аудио-фильтры категории KSCATEGORY_AUDIO.

Для фильтра перебрать все входные пины с требуемым форматом данных.

Выбрать подходящий пин и инициализировать объект пина.

Установить состояние пина в KSSTATE_RUN, отправив IRP-пакет.

Отправить пину музыкальные команды IRP-пакетом.

Интерфейс для работы с функциями Kernel Streaming в режиме ядра описан не полностью. Разработчики MS Windows рекомендуют воспроизводить звук только из режима пользователя, используя API Windows Multimedia, библиотеки DirectMusic или DirectSound.

Существует описание интерфейса для работы с фильтрами и пинами в режиме пользователя. Данная функциональность предоставляется библиотекой DirectKS от фирмы Microsoft. Исходные тексты этой библиотеки открыты. В исходном варианте этой библиотеки был реализован доступ к устройствам, воспроизводящим WAVE-данные. Эта библиотека используется в данном проекте, и в неё внесены изменения. Реализован доступ к устройствам, воспроизводящим MIDI-ноты.

В данном проекте поиск нужного пина и инициализация его объекта производится в режиме пользователя с использованием библиотеки DirectKS. Далее объект пина передаётся в драйвер режима ядра. Драйвер отправляет музыкальные команды аудиоустройству, отправляя IRP-пакеты пину.

2.8.3 Взаимодействие компонент программного обеспечения

В рамках данного курсового проекта реализован драйвер-фильтр и программа, которая управляет работой драйвера. Используется открытая библиотека DirectKS. На рис. 2.8 представлена схема взаимодействия компонент проекта, а также процессов и драйверов операционной системы, которые участвуют в работе этих компонент.

Рис.2.8. Схема взаимодействия компонент разрабатываемого проекта

2.9 Алгоритм работы драйвера-фильтра

Поскольку разрабатываемый драйвер-фильтр является WDM-драйвером, то должен иметь следующие точки входа: DriverEntry, DriverUnload, AddDevice, функции для обработки пакетов IRP. Функции для обработки прерываний в данной работе не регистрируются, поскольку драйвер не работает с прерываниями.

2.9.1 Функции загрузки/выгрузки драйвера

DiverEntry

Заполнение массива MajorFunctions.

Регистрируется процедура обработки пакета на чтение, процедура обработки IOCTL-запросов, процедуры обработки запросов от менеджера PnP и менеджера питания. Остальные элементы массива заполняются адресом функции __MyFilterDispatchGeneral, которая пропускает пакеты ниже по стеку.

Регистрация процедуры AddDevice. В данной работе она называется MyFilterAddDevice.

Регистрация процедуры DriverUnload, называющейся MyFilterUnload.