Windows2023年設(shè)備驅(qū)動程序

Windows2023設(shè)備驅(qū)動程序

引言：

由于工作關(guān)系，我常常涉及PC機(jī)與外圍設(shè)備接口的工作，從PC機(jī)這方面要做的工作看來，主要是通過接口處理外圍設(shè)備的中斷，通過I/O端口或內(nèi)存地址與外設(shè)相互傳遞數(shù)據(jù)。從計(jì)算機(jī)原理的角度看，所要到達(dá)的目的很簡潔，那么如何編寫程序完成上述功能呢？

目前國內(nèi)流行的PC操作系統(tǒng)有三種：DOS，Win95/98系列，WindowsNT。DOS是單用戶、單任務(wù)操作系統(tǒng)，由于PC機(jī)硬件處理速度不斷提高，基于單用戶、單任務(wù)的操作系統(tǒng)越來越不能充分發(fā)揮硬件的功能，現(xiàn)在只應(yīng)用于一些老式PC及其它個別場合，有漸漸被淘汰的趨勢；Win95/98系列和WindowsNT屬于多任務(wù)操作系統(tǒng)，不管從其原理還是界面上看，這兩種操作系統(tǒng)都比DOS有著無可比較的優(yōu)越性，這兩種操作系統(tǒng)雖然在界面和操作上及其相像，但其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的諸多方面有很多區(qū)分，有些區(qū)分是本質(zhì)上的。Win95/98設(shè)計(jì)目標(biāo)是針對一般家庭用戶，安全性及牢靠性存在很多薄弱環(huán)節(jié)，就牢靠性而言，Win95/98系列不能很好的防止多任務(wù)環(huán)境中某個進(jìn)程的非法操作導(dǎo)致系統(tǒng)中其它程序甚至整個系統(tǒng)的崩潰，而WindowsNT在這方面及其它諸多方面設(shè)計(jì)的相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)。這兩種操作系統(tǒng)是Microsoft公司同一時期的產(chǎn)品，但針對不同的使用群，所以在一些重要場合及生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)當(dāng)選擇WindowsNT作為計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)，此外，從進(jìn)展趨勢來看，WindowsNT已經(jīng)成為定型產(chǎn)品，具有相對穩(wěn)定性。

在不同操作系統(tǒng)下編寫驅(qū)動程序是有很大區(qū)分的，在DOS平臺上，應(yīng)用程序和設(shè)備驅(qū)動程序之間沒有標(biāo)準(zhǔn)的接口，它們在外部表現(xiàn)為一個擴(kuò)展名為EXE的文件，驅(qū)動程序的作用被嚴(yán)厲在應(yīng)用程序中，這樣，應(yīng)用程序?yàn)榱耸褂貌煌瑥S商的同一類設(shè)備，必需了解這些設(shè)備在接口上詳細(xì)的硬件實(shí)現(xiàn)，同時，對于一個特定型號的硬件產(chǎn)品，全部支持它的應(yīng)用軟件中對于掌握整個設(shè)備動作的這局部代碼，可能被屢次重寫。這種狀況不適應(yīng)硬件及應(yīng)用軟件的飛速進(jìn)展。Windows系統(tǒng)在這方面，進(jìn)展了根本性改良，把掌握設(shè)備動作的這局部代碼獨(dú)立出來，提出了設(shè)備驅(qū)動程序的概念,驅(qū)動程序是應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間的一個橋梁，應(yīng)用程序與驅(qū)動程序之間有明確的接口，應(yīng)用程序通過與驅(qū)動程序交換信息，到達(dá)掌握外設(shè)的目的。接口定義的操作是面對設(shè)備的，這就是說，在應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)中，并不用關(guān)懷對外設(shè)操作的詳細(xì)硬件實(shí)現(xiàn)，只是對驅(qū)動程序發(fā)出一系列指令既可；驅(qū)動程序承受來自上層應(yīng)用程序的指示，詳細(xì)操縱實(shí)際硬件，完成用戶功能。詳細(xì)實(shí)現(xiàn)上，Win95/98系列與WindowsNT又有所區(qū)分，WindowsNT是嚴(yán)格根據(jù)上述思路設(shè)計(jì)的；而Win95/98系列不那么嚴(yán)格，其支持上述思路，但同時應(yīng)用程序也可以繞過驅(qū)動程序直接訪問實(shí)際物理I/O，這樣做，增加程序設(shè)計(jì)的敏捷性，但同時，對系統(tǒng)牢靠性造成肯定隱患。這也正是Win95/98系列牢靠性低于WinNT的緣由之一。

WindowsNT設(shè)備驅(qū)動程序的組成原理

WindowsNT操作系統(tǒng)構(gòu)造分為用戶模式和內(nèi)核模式，用戶模式下的編程為應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，而開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序，則屬于內(nèi)核模式下的編程，內(nèi)核模式組件包括NTExecutive(ExXxx),內(nèi)核(KeXxx),硬件抽象層(HalXxx)。其層次如圖2-1所示，其中NTExecutive包括幾個獨(dú)立的軟件組件，它們是系統(tǒng)效勞接口(ZwXxx)，對象治理器(ObXxx)，配置治理器，進(jìn)程治理器(PsXxx)，安全監(jiān)視器(SeXxx)，虛擬空間治理器(MemXxx)，本地進(jìn)程調(diào)用，I/O治理器(IoXxx)。內(nèi)核模式的系統(tǒng)效勞并不是全部公開的，而是供應(yīng)了一系列開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序需要的函數(shù)(上文括號內(nèi)為函數(shù)形式，函數(shù)手冊參見[2]Kernel-ModeDrivers-Reference章節(jié))，換言之，這些函數(shù)功能是全部內(nèi)核模式的系統(tǒng)效勞功能的子集。

驅(qū)動程序由一系列相對獨(dú)立的函數(shù)組成，由I/O治理器依據(jù)需要調(diào)用這些函數(shù)，對于一個需要處理中斷的最簡潔的驅(qū)動程序也需要由以下幾個函數(shù)構(gòu)成：

1.DriverEntry()運(yùn)行于PASSIVE_LEVEL

驅(qū)動程序入口點(diǎn)，當(dāng)驅(qū)動程序被手動或自動裝入系統(tǒng)后，驅(qū)動程序從這點(diǎn)開頭執(zhí)行，主要用于定位硬件資源，建立指向其它驅(qū)動程序函數(shù)的指針等其它初始化工作。

2.XxUnload()運(yùn)行于PASSIVE_LEVEL

用于驅(qū)動程序從系統(tǒng)卸出之前，釋放由驅(qū)動程序占用的全部系統(tǒng)資源。

3.XxIsr()運(yùn)行于DIRQL

中斷效勞程序。

4.XxDpcForIsr()運(yùn)行于DISPATCH_LEVEL

中斷效勞程序后處理程序，以排隊(duì)方執(zhí)行不太關(guān)鍵代碼的執(zhí)行，由于排隊(duì)機(jī)制及優(yōu)先級，不會造成代碼擁塞從而提高中斷效勞程序的響應(yīng)并且提高系統(tǒng)總體I/O吞吐率。

5.XxOpen()運(yùn)行于PASSIVE_LEVEL

處理應(yīng)用程序Win32函數(shù)CreateFile()懇求。

6.XxClose()運(yùn)行于PASSIVE_LEVEL

處理應(yīng)用程序Win32函數(shù)CloseHandle()懇求。

7.XxDispatch()運(yùn)行于PASSIVE_LEVEL

處理應(yīng)用程序Win32函數(shù)DeviceIoControl()懇求，通過一系列自定義命令，驅(qū)動程序與應(yīng)用程序交換特定的信息。

WindowsNT使用一個抽象化的CPU優(yōu)先級方案，IRQL代表中斷懇求級，任一時刻CPU總處在某一級上，這個數(shù)越大，表示當(dāng)前的任務(wù)重要性越大，如表2-1所示，從上至下IRQL越來越小。全部上述驅(qū)動程序的函數(shù)及內(nèi)核模式函數(shù)都必需運(yùn)行于各自的IRQL級上，假如違反這一調(diào)用規(guī)定，會造成系統(tǒng)崩潰。例如，中斷效勞程序(XxIsr)運(yùn)行于DIRQL及上，那幺在編寫中斷效勞程序時，只能調(diào)用允許在這一級運(yùn)行的內(nèi)核模式函數(shù)(并不是全部內(nèi)核模式函數(shù)都能運(yùn)行于DIRQL級)。至于每個內(nèi)核模式函數(shù)運(yùn)行級別的說明，詳見[2]Kernel-ModeDrivers-Reference章節(jié)。

WindowsNT是一多任務(wù)系統(tǒng)，很多設(shè)備的驅(qū)動程序同時存在系統(tǒng)中，這樣各個設(shè)備所占用的資源(中斷，I/O及RAM地址空間)很有可能沖突，假如設(shè)備驅(qū)動程序在運(yùn)行之前不進(jìn)展‘探測’而使用自己硬件設(shè)備的資源，有可能和系統(tǒng)內(nèi)其它設(shè)備占用的資源沖突，后果不堪設(shè)想。WindowsNT通過注冊表治理硬件資源的占用信息，作為內(nèi)核模式信任的組件，驅(qū)動程序使用硬件資源之前必需遵循‘查詢-申請-使用-釋放’的原則

WindowsNT設(shè)備驅(qū)動程序的編寫步驟與實(shí)例

現(xiàn)以一實(shí)際例子簡要說明設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)步驟，本例以CINRAD天氣雷達(dá)測試卡實(shí)際應(yīng)用為原型，加以簡化、抽象。

第一步，了解被控設(shè)備的接口狀況。

本例為一ISA卡，占用PC機(jī)9號中斷，I/O地址360H及RAM地址D0228H分別一個字空間。

其次步，確定驅(qū)動程序的功能。

驅(qū)動程序每當(dāng)9號中斷到達(dá)時，檢查運(yùn)行標(biāo)志變量RunFlag(為一BOOL變量)，假如等于TRUE，中斷累積計(jì)數(shù)器counter(為一unsignedshort變量)增一，把這個值寫入RAM地址D0228H，再從這個地址讀出，假如讀出值等于寫入值，把這個值寫入I/O地址360H,這個地址的內(nèi)容會驅(qū)動板卡上的LED顯示，把寫入值顯示出來；假如讀出值不等于寫入值，設(shè)置運(yùn)行標(biāo)志變量FALSE。假如運(yùn)行標(biāo)志變量等于FALSE，什幺也不做，返回。

第三步，定義驅(qū)動程序與應(yīng)用程序的軟件接口。

本例定義兩個接口命令:

IOCTL_IOCardA_START:應(yīng)用程序設(shè)置驅(qū)動程序內(nèi)部的運(yùn)行標(biāo)志變量等于TRUE。

IOCTL_IOCardA_READ:應(yīng)用程序查詢驅(qū)動程序內(nèi)部的中斷累積計(jì)數(shù)器的值。

第四步，畫流程圖。這里列舉本例實(shí)現(xiàn)的幾個主要流程圖，（圖略）。

系統(tǒng)傳給驅(qū)動程序入口函數(shù)系統(tǒng)定義的‘設(shè)備驅(qū)動對象’DrObj，通過初始化這個對象的一些成員變量，把驅(qū)動程序其它函數(shù)與這個對象聯(lián)系起來。

ISA卡為非即插即用設(shè)備，事先把資源占用信息手工添加注冊表如下：

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\IOCardA\parameters]

“IRQ“=dword:00000009

“IOSPAN“=dword:00000004

“IOAdd“=dword:00000360

“RAMAdd“=dword:000d0228

“RAMSPAN“=dword:00000002

其中IOCardA以下各子鍵及其值為自定義，設(shè)備驅(qū)動程序利用相應(yīng)函數(shù)檢索出這些值。

(3)每個設(shè)備驅(qū)動程序可以創(chuàng)立若干系統(tǒng)定義的‘設(shè)備對象’，本例依據(jù)需要只創(chuàng)立了一個‘設(shè)備對象’Dev。‘設(shè)備對象’其中一個成員變量為指向一非分頁的物理內(nèi)存塊DeviceExtension，這塊內(nèi)存大小及內(nèi)容為用戶自定義，由于Dev或DeviceExtension對象會被系統(tǒng)傳給驅(qū)動程序的其它函數(shù)，這樣驅(qū)動程序各函數(shù)通過訪問這塊內(nèi)存區(qū)，實(shí)際上到達(dá)相互傳遞信息的功能。本例在這里存儲設(shè)備硬件資源信息及RunFlag和中斷計(jì)數(shù)器counter，這些數(shù)值在DriverEntry()初始化后，供驅(qū)動程序的其它函數(shù)使用。

圖3-2為中斷效勞程序IOCardAIsr()流程圖。操作系統(tǒng)承受中斷，連同DeviceExtension等參數(shù)傳給中斷效勞程序，中斷效勞程序利用這些參數(shù)，實(shí)現(xiàn)要求功能。

圖3-3為IOCardADispatch()流程圖，這個函數(shù)用于處理來自上層應(yīng)用程序的命令。上層應(yīng)用程序通過以下程序段設(shè)置驅(qū)動程序中RunFlag值為TRUE，從而啟動中斷效勞程序開頭計(jì)數(shù)。

BOOLcmd=TRUE;

hTest=CreateFile(...);//翻開設(shè)備

DeviceIoControl(hTest,//設(shè)備句柄

IOCTL_IOCardA_START,//命令

cmd,sizeof(BOOL),//輸入緩沖區(qū)地址及大小

NULL,0,c,NULL);

CloseHandle(hTest);//關(guān)閉設(shè)備

上層應(yīng)用程序通過以下程序段查詢當(dāng)前的中斷計(jì)數(shù)器的值并存于變量w中。

unsignedshortw;

hTest=CreateFile(...);

DeviceIoControl(hTest,

IOCTL_IOCardA_READ,//命令

NULL,0,

w,sizeof(unsignedshort),//輸出緩沖區(qū)地址及大小

c,NULL);

CloseHandle(hTest);

其中DeviceIoControl()執(zhí)行后，操作系統(tǒng)調(diào)用IOCardADispatch()函數(shù)，如流程圖所示，這個函數(shù)內(nèi)部通過一個開關(guān)語句，依據(jù)命令執(zhí)行相應(yīng)的分支。驅(qū)動程序與應(yīng)用程序通過此函數(shù)接換數(shù)據(jù)時，操作系統(tǒng)供應(yīng)4種可選數(shù)據(jù)緩沖方式，本例由于數(shù)據(jù)I/O量比擬小，應(yīng)選用‘緩沖I/O’(METHOD_BUFFERED)。過程是，I/O治理器首先安排一個非分頁池，它的大小為調(diào)用者輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)的較大者，第一段程序?yàn)閟izeof(BOOL),其次段程序?yàn)閟izeof(unsignedshort),它的地址存到IRP(I/O懇求包)的AssociatedIrp.SystemBuffer域中，然后把輸入數(shù)據(jù)拷貝到這個池中，在第一段程序中cmd的值TRUE被拷貝到池中，這樣驅(qū)動程序通過RtlCopyBytes()函數(shù)再把池中的值拷貝到驅(qū)動程序的RunFlag中。IOCardADispatch()函數(shù)執(zhí)行完，I/O治理器把池中的內(nèi)容拷貝到調(diào)用者的輸出緩沖區(qū)，在其次段程序中，驅(qū)動程序通過RtlCopyBytes()函數(shù)把counter的值拷貝到池中，從而最終傳遞到應(yīng)用程序變量w中。

第五步，編程。在編寫設(shè)備驅(qū)動程序的同時，要編寫一個簡潔的應(yīng)用程序用于測試設(shè)備驅(qū)動程序的一些功能。

第六步，驅(qū)動程序的載入。

驅(qū)動程序C語言源程序經(jīng)過編譯、連接生成擴(kuò)展名為SYS的文件，本例為IOCardA.sys,把這個文件拷貝到\WINNT\system32\drivers\系統(tǒng)名目下，同時手工添加如下信息到注冊表：

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\IOCardA]

“ErrorControl“=dword:00000001

“Start“=dword:00000003

“Type“=dword:00000001

要保證IOCardA子鍵名與驅(qū)動程序文件名全都，其中Type=1表示此驅(qū)動程序?yàn)閮?nèi)核模式驅(qū)動程序，Start=3表示此驅(qū)動程序手動載入，E