WindowsNT4.0下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
摘要: 介紹了Windows NT4.0內(nèi)核模式設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中的一般性過(guò)程。通過(guò)提供一個(gè)最小化驅(qū)動(dòng)程序的核心代碼,解釋各組成部分的結(jié)構(gòu)功能和使用方法。在實(shí)踐中,結(jié)合自身的開(kāi)發(fā)需要,可編寫出具有實(shí)用價(jià)值的驅(qū)動(dòng)程序。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/241584.htm關(guān)鍵詞:Win32子系統(tǒng) 設(shè)備驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)注冊(cè)表 I/O請(qǐng)求包
Windows NT 以其安全、穩(wěn)定及界面友好等特性逐漸成為工業(yè)控制領(lǐng)域的前臺(tái)操作系統(tǒng)。面對(duì)工業(yè)控制中大量采用的串/并行通信及總線控制等技術(shù),要求用戶不斷開(kāi)發(fā)出滿足自身需要的硬件設(shè)備,同時(shí)又要求用戶應(yīng)用程序與這些硬件設(shè)備進(jìn)行通信,發(fā)送控制命令,讀取狀態(tài)信息等等。Windows NT出于安全性、穩(wěn)定性等考慮,不允許用戶應(yīng)用程序?qū)ξ锢碛布M(jìn)行直接訪問(wèn),這就需要使用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序跨越操作系統(tǒng)邊界對(duì)物理硬件進(jìn)行操作,并向上提供客戶應(yīng)用程序控制接口以供調(diào)用。
1 分層結(jié)構(gòu)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
Windows NT分層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)包括運(yùn)行于用戶模式及內(nèi)核模式的各種部件,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在圖1的左下角,處于內(nèi)核模式下I/O管理器之中。
2 驅(qū)動(dòng)程序工作方式
內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序之間的最大差別之一是驅(qū)動(dòng)程序的控制結(jié)構(gòu)。內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序沒(méi)有main或WinMain,而是由I/O管理器根據(jù)需要調(diào)用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序例程:
· 驅(qū)動(dòng)程序被裝入時(shí);
· 驅(qū)動(dòng)程序被卸出或系統(tǒng)關(guān)閉時(shí);
· 用戶程序發(fā)出I/O系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用時(shí);
· 共享硬件資源對(duì)驅(qū)動(dòng)程序可用時(shí);
· 設(shè)備操作過(guò)程中的任何時(shí)候。
3 初始化過(guò)程
3.1 系統(tǒng)注冊(cè)表中有關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的項(xiàng)目是系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)
系統(tǒng)注冊(cè)表中用于系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的項(xiàng)目如下:
[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\DriverName]
″Type″ = dword00000001
″Start″ = dword00000002
″Group″ = ″Extended Base″
″ErrorControl″ = dword∶00000001
其中Start含義如下:
SERVICE_BOOT_START (0×0) 操作系統(tǒng)裝入時(shí)
SERVICE_SYSTEM_START (0×01) 操作系統(tǒng)初始化時(shí)
SERVICE_AUTO_START (0×02) 服務(wù)控制管理器啟動(dòng)時(shí)
SERVICE_DEMAND_START (0×03) 服務(wù)控制管理器手工啟動(dòng)
SERVICE_DISABLED (0×04) 不啟動(dòng)
Type含義如下:
SERVICE_KERNEL_DRIVER (0×1)
SERVICE_FILE_SYSTEM_DRIVER (0×2)
SERVICE_ADAPTER (0×4)
系統(tǒng)注冊(cè)表中用于設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序加載后讀取的項(xiàng)目如下:
[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\DriverName\Parameters]
″Parameter1″ = dword∶00000001
″Parameter2″ = dword∶00000004
3.2 加載驅(qū)動(dòng)程序的裝入例程
I/O管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的DriverEntry例程,執(zhí)行初始化。該例程完成:
· 初始化其它例程的入口;
· 創(chuàng)建命名設(shè)備對(duì)象;
· 讀取系統(tǒng)注冊(cè)表中相關(guān)項(xiàng)目并聲明必要的資源;
· 設(shè)置內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序名與Win32子系統(tǒng)名的聯(lián)接;
· 創(chuàng)建或初始化任意驅(qū)動(dòng)程序使用的對(duì)象、類型和資源;
· 返回狀態(tài)值。
I/O管理器建立與設(shè)備關(guān)聯(lián)的Driver?qū)ο螅⑵鋫鬟f給DriverEntry例程。實(shí)際上Driver?qū)ο蠡旧鲜且粋€(gè)目錄,含有指向各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)例程函數(shù)的指針,其結(jié)構(gòu)如表1所示。
表1 Driver對(duì)象
域 | 說(shuō)明 |
PDRIVER_STARTIO DriverStartIo | 驅(qū)動(dòng)程序的Start I/O例程的地址 |
PDRIVER_UNLOAD DriverUnload | 驅(qū)動(dòng)程序的Unload例程地址 |
PDRIVER_DISPATCH Majorfunction[ ] | 驅(qū)動(dòng)程序的Dispatch例程的表,由I/O操作代碼索引 |
PDEVICE_OBJECT DeviceObject | 驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建的Device對(duì)象鏈表 |
I/O管理器能夠找到DriverEntry例程,是因?yàn)樗幸粋€(gè)公認(rèn)的名字,而其他的例程則通過(guò)下列兩種方法查找:
·在Driver?qū)ο笾杏忻鞔_槽的函數(shù)如DirverObject->DriverUnload;
·在Driver?qū)ο蟮模停幔辏铮颍疲酰睿悖簦椋铮顢?shù)組中——Driver?qū)ο蟮模停幔辏铮颍疲酰睿悖簦椋铮钪С謨煞N類型的功能代碼。一種為標(biāo)準(zhǔn)的功能代碼,如IRP_MJ_CREATE。另一種是用戶自定義的功能代碼,如IRP_MJ_DEVICE_CONTROL。
所有驅(qū)動(dòng)程序必須支持IRP_MJ_CREATE功能代碼,這是因?yàn)椋祝椋睿常沧酉到y(tǒng)下的用戶程序調(diào)用CreateFile函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備時(shí),產(chǎn)生該功能代碼。如果不處理這個(gè)功能代碼,Win32程序就不能得到設(shè)備句柄。
用戶自定義的功能代碼IRP_MJ_DEVICE_CONTROL只有在用戶模式下的客戶程序執(zhí)行自定義的功能時(shí)可用。
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
//聲明設(shè)備對(duì)象
PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
//生成函數(shù)接口指針
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]=XxSelfDispatch;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]=
XxSelfDispatch;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ]=
XxReadDispatch;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE]=
XxWriteDispatch
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]=XxSelfDispatch
DriverObject->DriverUnload=XxUnload
//生成Windows NT Executive知道的設(shè)備名
RtlInitUnicodeString(&NtDeviceName, SelfDeviceName);
//生成自己的設(shè)備
Status=IoCreateDevice(
DriverObject, // Driver?qū)ο?br>
sizeof(SELF_DEVICE_INFO), // Device對(duì)象
Extension結(jié)構(gòu)大小
&NtDeviceName,
DeviceType,
0,
FALSE, // 不執(zhí)行
&DeviceObject //Device對(duì)象指針
);
//生成Win32子系統(tǒng)下的用戶程序可識(shí)別的設(shè)備名
RtlInitUnicodeString(&Win32DeviceName, SelfWin32Name);
//聯(lián)接內(nèi)部設(shè)備名與Win32子系統(tǒng)下的設(shè)備名
Status = IoCreateSymbolicLink( &Win32DeviceName, &NtDeviceName);
//利用RtlQueryRegistryValues函數(shù)讀出注冊(cè)表中Parameters下的參數(shù)值,初始化自己的硬件
...
}
4 驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)例程
驅(qū)動(dòng)程序初始化之后,始終等待發(fā)自用戶的命令或由其它事件源引起的事件。一旦命令或事件發(fā)生,I/O管理器就調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)例程提供服務(wù)。而幾乎所有的I/O都是通過(guò)I/O請(qǐng)求包IRP驅(qū)動(dòng)的。所謂IRP驅(qū)動(dòng),就是I/O管理器負(fù)責(zé)在非分頁(yè)的系統(tǒng)內(nèi)存中分配一定空間,當(dāng)接受用戶發(fā)出的命令或由事件引發(fā)后,將工作指令按一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)置于其中,傳遞到驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)例程。換言之,IRP包含了驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)例程所需要的信息指令。表2、表3為IRP的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
同時(shí),I/O管理器和驅(qū)動(dòng)程序都需要在所有時(shí)候知道一個(gè)I/O設(shè)備所進(jìn)行的情況。系統(tǒng)提供Device對(duì)象以滿足此要求。該對(duì)象在DriverEntry例程中生成設(shè)備時(shí)由系統(tǒng)創(chuàng)建后,分配給驅(qū)動(dòng)程序,并在整個(gè)驅(qū)動(dòng)程序生存期內(nèi)有效。當(dāng)I/O管理器調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)例程時(shí),傳遞該對(duì)象。表4為Device對(duì)象的外部可見(jiàn)域。
表2 IRP標(biāo)頭中外部可見(jiàn)的域
域 | 內(nèi) 容 | 含 義 | |
標(biāo)頭 | I/O_STATUS_BLOCK IoStatus | Stutus | I/O請(qǐng)求的狀態(tài) |
Information | |||
AssociatedIrp.Systembuffer | 執(zhí)行緩沖I/O時(shí),系統(tǒng)空間緩沖區(qū)指針 | ||
PMDL MdlAddress | 執(zhí)行直接I/O時(shí),用戶空間緩沖區(qū)的內(nèi)存描述符列表的指針 | ||
PVOID User Buffer | I/O緩沖區(qū)的用戶空間地址 | ||
BOOLEAN Cancel | 指示IRP已被取消 |
表3 IRP堆棧單元的一些內(nèi)容
IO_STACK_LOCATION,*PIO_STACK_LOCATION | |||
I/O堆棧單元 | UCHAR MajorFunction | 指定操作的 IRP_MJ_XXX 函數(shù) | |
UCHAR MinorFunction | 有文件系統(tǒng)和 SCSI 驅(qū)動(dòng)程序 | ||
union Parameters | Majorfunction 代碼的聯(lián)合類型 | ||
struct Read | ULONG Length | IRP_MJ_READ 的參數(shù) | |
ULONG Key | |||
LARGE_INTEGER ByteOffset | |||
struct Write | ULONG Length | IRP_MJ_WRITE 的參數(shù)據(jù) | |
ULONG Key | |||
LARGE_INTEGER ByteOffset | |||
struct DeviceIoControl | ULONG OutputBufferLength | IRP_MJ_DEVICE_CONTROL, IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE _CONTROL 的參數(shù) | |
OutputBuffer Length | |||
ULONG Iocontrolcode |
表4 Device 對(duì)象的外部可見(jiàn)域
域 | 含 義 |
PVOID DeviceExtension | 指向 Device Extension 結(jié)構(gòu)的指針 |
PDRIVER_OBJECT DriverObject | 指向這個(gè)設(shè)備 Driver 對(duì)象 |
ULONG Flags | 指定這個(gè)設(shè)備的緩沖策略 DO_BUFFER_IO DO_DIRECT_IO |
PDEVICE_OBJECT NextDevice | 指向?qū)儆谶@個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的下一個(gè)設(shè)備 |
CCHAR StackSize | 發(fā)送到這個(gè)設(shè)備的IRP需要的I/O堆棧單元的最小數(shù)目 |
ULONG AlignmentRequirement | 緩沖區(qū)要求的內(nèi)存對(duì)齊 |
其中,DeviceExtension域是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是由I/O管理器創(chuàng)建并自動(dòng)掛接到Device對(duì)象的非分頁(yè)池,是保存驅(qū)動(dòng)程序任意全局變量的最好辦法。因?yàn)椋模澹觯椋悖澹牛簦澹睿螅椋铮钍球?qū)動(dòng)程序特定的,要自定義它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
下面是一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序服務(wù)例程利用Device對(duì)象和IRP的片段:
NTSTATUS XxSelfDispatch(IN PDEVICE_OBJECT pDO IN PIRP pIrp);
{
PLOCAL_DEVICE_INFO pLDI;
PIO_STACK_LOCATION pIrpStack;
PULONG pIOBuffer;
//得到全局信息
pLDI = (PSELF_DEVICE_INFO)pDO->DeviceExtension;
pIrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);
//得到由用戶應(yīng)用程序發(fā)來(lái)的用戶數(shù)據(jù),并在需要時(shí),將結(jié)果通過(guò)此變量返回給用戶
pIOBuffer=PULONGpIrp->AssociatedIrp.System
Buffer;
// 由IRP攜帶的信息決定驅(qū)動(dòng)程序的執(zhí)行
switch (pIrpStack->MajorFunction)
{
case IRP_MJ_CREATE:
case IRP_MJ_CLOSE:
Status = STATUS_SUCCESS;
break;
case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:
//由Parameters進(jìn)一步解釋控制代碼含義
switch (pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode)
{
case IOCTL_Function1:
//執(zhí)行功能代碼
Field1 = pLDI->SelfField1;
...
break;
case IOCTL_Function2:
//執(zhí)行功能代碼
...
break;
}
break
}
// 返回I/O操作的狀態(tài)
pIrp->IoStatus.Status = Status;
IoCompleteRequest(pIrp IO_NO_INCREMENT);
return Status;
}
5 驅(qū)動(dòng)程序終止例程
Unload例程負(fù)責(zé)取消由DriverEntry例程所做的任何事情,包括解除屬于該驅(qū)動(dòng)程序的任何硬件資源的分配,以及刪除屬于驅(qū)動(dòng)程序的任何內(nèi)核對(duì)象。通常這僅在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)需要。
VOID XxUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
PLOCAL_DEVICE_INFO pLDI;
UNICODE_STRING Win32DeviceName;
// 得到全局?jǐn)?shù)據(jù),根據(jù)全局?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行清理工作
pLDI=PLOCAL_DEVICE_INFODriverObject->Device
Object->DeviceExtension
if (pLDI->Field2 == TRUE)
{
...
// 刪除分配的設(shè)備名及設(shè)備
RtlInitUnicodeString(&Win32DeviceName, SelfWin32 Name);
IoDeleteSymbolicLink(&Win32DeviceName);
IoDeleteDevice(pLDI->DeviceObject);
}
6 用戶層應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序間的接口
驅(qū)動(dòng)程序完成后,將在系統(tǒng)重新引導(dǎo)時(shí)裝入并初始化(由DriverEntry例程完成)。此時(shí),驅(qū)動(dòng)程序處于可用狀態(tài),等待用戶層應(yīng)用程序使用。用戶層應(yīng)用程序可以:
·打開(kāi)該設(shè)備文件(由IRP_MJ_CREATE功能代碼完成)
·讀出數(shù)據(jù)(由IRP_MJ_READ功能代碼完成)
·寫入數(shù)據(jù)(由IRP_MJ_WRITE功能代碼完成)
·執(zhí)行用戶自定義的功能代碼(由IRP_MJ_DEVICE_CONTROL功能代碼完成)
·關(guān)閉該設(shè)備文件(由IRP_MJ_CLOSE功能代碼完成)
以下是部分實(shí)現(xiàn)代碼:
void main()
{
HANDLE hndFile; // 由CreateFile得到
union {
ULONG LongData;
USHORT ShortData;
UCHAR CharData;
}DataBuffer; //從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中得到的數(shù)據(jù)
LONG IoctlCode; //功能代碼
ULONG DataLength;
LONG Parameter1;
//調(diào)用IRP中的IRP _MJ_CREATE功能
hndFile = CreateFile(
″\\\\.\\SelfWin32Name″, // 打開(kāi)設(shè)備文件″ SelfWin32Name″
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
NULL,
OPEN_EXISTING,
0,
NULL
if (hndFile == INVALID_HANDLE_VALUE)
{
printf(″Unable to open the device.\n″);
exit(1);
}
IoctlCode = IOCTL_Function1; //自定義功能代碼
Parameter1 = 1;
DataLength = sizeof(DataBuffer.CharData);
IoctlResult = DeviceIoControl(
hndFile //設(shè)備文件句柄
IoctlCode//功能代碼,對(duì)應(yīng)IRP中的Parameter.
//DeviceIoControl.IoControlCode域
&Parameter1,//傳遞到驅(qū)動(dòng)程序的參數(shù)緩沖區(qū),對(duì)應(yīng)
//IRP中的AssociatedIrp.SystemBuffer
sizeof(Parameter1) //參數(shù)緩沖區(qū)長(zhǎng)度
&DataBuffer, //從驅(qū)動(dòng)程序傳出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
DataLength, //緩沖區(qū)長(zhǎng)度
&ReturnedLength, //返回的實(shí)際緩沖區(qū)長(zhǎng)度
NULL //等待,直到操作完成
);
if(?。茫欤铮螅澹龋幔睿洌欤澹煟瑁睿洌疲椋欤澹?//關(guān)閉設(shè)備
{
printf(″Failed to close device.\n″);
}
}
以上介紹了Windows NT4.0設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)中的一般性過(guò)程。用戶可利用NT SDK 及DDK開(kāi)發(fā)工具包,并根據(jù)自身需要,對(duì)以上核心代碼進(jìn)行擴(kuò)充完成所需任務(wù)。
評(píng)論