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WindowsNT4.0下設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)與應(yīng)用

作者: 時間:2006-05-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要: 介紹了Windows NT4.0內(nèi)核模式設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)中的一般性過程。通過提供一個最小化驅(qū)動程序的核心代碼,解釋各組成部分的結(jié)構(gòu)功能和使用方法。在實踐中,結(jié)合自身的開發(fā)需要,可編寫出具有實用價值的驅(qū)動程序。

本文引用地址:http://2s4d.com/article/241584.htm

關(guān)鍵詞:Win32子系統(tǒng) 設(shè)備驅(qū)動 系統(tǒng)注冊表 I/O請求包

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)域的前臺操作系統(tǒng)。面對工業(yè)控制中大量采用的串/并行通信及總線控制等技術(shù),要求用戶不斷開發(fā)出滿足自身需要的硬件設(shè)備,同時又要求用戶應(yīng)用程序與這些硬件設(shè)備進行通信,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行直接訪問,這就需要使用設(shè)備驅(qū)動程序跨越操作系統(tǒng)邊界對物理硬件進行操作,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)動程序

Windows NT分層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)包括運行于用戶模式及內(nèi)核模式的各種部件,設(shè)備驅(qū)動程序在圖1的左下角,處于內(nèi)核模式下I/O管理器之中。

2 驅(qū)動程序工作方式

內(nèi)核模式驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間的最大差別之一是驅(qū)動程序的控制結(jié)構(gòu)。內(nèi)核模式驅(qū)動程序沒有main或WinMain,而是由I/O管理器根據(jù)需要調(diào)用一個驅(qū)動程序例程:

· 驅(qū)動程序被裝入時;

· 驅(qū)動程序被卸出或系統(tǒng)關(guān)閉時;

· 用戶程序發(fā)出I/O系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用時;

· 共享硬件資源對驅(qū)動程序可用時;

· 設(shè)備操作過程中的任何時候。

3 初始化過程

3.1 系統(tǒng)注冊表中有關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序的項目是系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動程序的入口點

系統(tǒng)注冊表中用于系統(tǒng)加載設(shè)備驅(qū)動程序的項目如下:

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\DriverName]

″Type″ = dword00000001

″Start″ = dword00000002

″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

SERVICE_SYSTEM_START (0×01) 操作系統(tǒng)初始化時

SERVICE_AUTO_START (0×02) 服務(wù)控制管理器啟動時

SERVICE_DEMAND_START (0×03) 服務(wù)控制管理器手工啟動

SERVICE_DISABLED (0×04) 不啟動

Type含義如下:

SERVICE_KERNEL_DRIVER (0×1)

SERVICE_FILE_SYSTEM_DRIVER (0×2)

SERVICE_ADAPTER (0×4)

系統(tǒng)注冊表中用于設(shè)備驅(qū)動程序加載后讀取的項目如下:

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\DriverName\Parameters]

″Parameter1″ = dword∶00000001

″Parameter2″ = dword∶00000004

3.2 加載驅(qū)動程序的裝入例程

I/O管理器調(diào)用驅(qū)動程序的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)備對象;

· 讀取系統(tǒng)注冊表中相關(guān)項目并聲明必要的資源;

· 設(shè)置內(nèi)核驅(qū)動程序名與Win32子系統(tǒng)名的聯(lián)接;

· 創(chuàng)建或初始化任意驅(qū)動程序使用的對象、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?,并將其傳遞給DriverEntry例程。實際上Driver?qū)ο蠡旧鲜且粋€目錄,含有指向各個驅(qū)動程序服務(wù)例程函數(shù)的指針,其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 Driver對象

說明
PDRIVER_STARTIO DriverStartIo 驅(qū)動程序的Start I/O例程的地址
PDRIVER_UNLOAD DriverUnload 驅(qū)動程序的Unload例程地址
PDRIVER_DISPATCH Majorfunction[ ] 驅(qū)動程序的Dispatch例程的表,由I/O操作代碼索引
PDEVICE_OBJECT DeviceObject 驅(qū)動程序創(chuàng)建的Device對象鏈表

I/O管理器能夠找到DriverEntry例程,是因為它有一個公認的名字,而其他的例程則通過下列兩種方法查找:

·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。一種為標準的功能代碼,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)動程序必須支持IRP_MJ_CREATE功能代碼,這是因為Win32子系統(tǒng)下的用戶程序調(diào)用CreateFile函數(shù)創(chuàng)建設(shè)備時,產(chǎn)生該功能代碼。如果不處理這個功能代碼,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)行自定義的功能時可用。

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,IN PUNICODE_STRING RegistryPath)



//聲明設(shè)備對象

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對象

Extension結(jié)構(gòu)大小

&NtDeviceName,

DeviceType,

0,

FALSE, // 不執(zhí)行

&DeviceObject //Device對象指針

);
 //生成Win32子系統(tǒng)下的用戶程序可識別的設(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)讀出注冊表中Parameters下的參數(shù)值,初始化自己的硬件

...



4 驅(qū)動程序服務(wù)例程

驅(qū)動程序初始化之后,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I/O請求包IRP驅(qū)動的。所謂IRP驅(qū)動,就是I/O管理器負責在非分頁的系統(tǒng)內(nèi)存中分配一定空間,當接受用戶發(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)動程序服務(wù)例程。換言之,IRP包含了驅(qū)動程序服務(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,I/O管理器和驅(qū)動程序都需要在所有時候知道一個I/O設(shè)備所進行的情況。系統(tǒng)提供Device對象以滿足此要求。該對象在DriverEntry例程中生成設(shè)備時由系統(tǒng)創(chuàng)建后,分配給驅(qū)動程序,并在整個驅(qū)動程序生存期內(nèi)有效。當I/O管理器調(diào)用驅(qū)動程序服務(wù)例程時,傳遞該對象。表4為Device對象的外部可見域。

表2 IRP標頭中外部可見的域

  內(nèi) 容 含 義
標頭 I/O_STATUS_BLOCK IoStatus Stutus I/O請求的狀態(tài)
Information
AssociatedIrp.Systembuffer   執(zhí)行緩沖I/O時,系統(tǒng)空間緩沖區(qū)指針
PMDL MdlAddress   執(zhí)行直接I/O時,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 對象的外部可見域

含 義
PVOID DeviceExtension 指向 Device Extension 結(jié)構(gòu)的指針
PDRIVER_OBJECT DriverObject 指向這個設(shè)備 Driver 對象
ULONG Flags 指定這個設(shè)備的緩沖策略 DO_BUFFER_IO DO_DIRECT_IO
PDEVICE_OBJECT NextDevice 指向?qū)儆谶@個驅(qū)動程序的下一個設(shè)備
CCHAR StackSize 發(fā)送到這個設(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)存對齊

其中,DeviceExtension域是一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。它是由I/O管理器創(chuàng)建并自動掛接到Device對象的非分頁池,是保存驅(qū)動程序任意全局變量的最好辦法。因為DeviceExtension是驅(qū)動程序特定的,要自定義它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

下面是一個驅(qū)動程序服務(wù)例程利用Device對象和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)來的用戶數(shù)據(jù),并在需要時,將結(jié)果通過此變量返回給用戶

pIOBuffer=PULONGpIrp->AssociatedIrp.System

Buffer;

// 由IRP攜帶的信息決定驅(qū)動程序的執(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)動程序終止例程

Unload例程負責取消由DriverEntry例程所做的任何事情,包括解除屬于該驅(qū)動程序的任何硬件資源的分配,以及刪除屬于驅(qū)動程序的任何內(nèi)核對象。通常這僅在系統(tǒng)關(guān)閉時需要。

VOID XxUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)



PLOCAL_DEVICE_INFO pLDI;

UNICODE_STRING Win32DeviceName;

// 得到全局數(shù)據(jù),根據(jù)全局數(shù)據(jù)進行清理工作

pLDI=PLOCAL_DEVICE_INFODriverObject->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)動程序間的接口

驅(qū)動程序完成后,將在系統(tǒng)重新引導(dǎo)時裝入并初始化(由DriverEntry例程完成)。此時,驅(qū)動程序處于可用狀態(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,對應(yīng)IRP中的Parameter.

//DeviceIoControl.IoControlCode域

&Parameter1,//傳遞到驅(qū)動程序的參數(shù)緩沖區(qū),對應(yīng)

//IRP中的AssociatedIrp.SystemBuffer

sizeof(Parameter1) //參數(shù)緩沖區(qū)長度

&DataBuffer, //從驅(qū)動程序傳出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

DataLength, //緩沖區(qū)長度

&ReturnedLength, //返回的實際緩沖區(qū)長度

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)動程序開發(fā)中的一般性過程。用戶可利用NT SDK 及DDK開發(fā)工具包,并根據(jù)自身需要,對以上核心代碼進行擴充完成所需任務(wù)。

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