windows WDM驅(qū)動程序設(shè)計回顧微軟10年,，驅(qū)動開發(fā)模型從VxD->WDM->WDF，開發(fā)工具從VtoolsD-->DDK-->WDK,在這個過程中,，出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的開發(fā)工具,，windriver，driver studio 3.2 等,。其中windriver適合用來調(diào)試硬件,driver studio 3.2 采用C++開發(fā)框架,用戶只要簡單的寫幾個回調(diào)函數(shù)就可以完成驅(qū)動的編寫,，但是該軟件又微軟新的驅(qū)動模型WDF的沖擊，不在對它進行開發(fā)了,，將最終版本定格在3.2,，我最先學(xué)習(xí)驅(qū)動程序就是通過driver studio學(xué)習(xí)的。 從windows 2000開始,，開發(fā)驅(qū)動程序以WDM為基礎(chǔ),，但開發(fā)難度大，為了改善這種局面,，微軟推出WDF,，它以WDM為基礎(chǔ)進行建模和封裝，降低了開發(fā)的難道,。 （一）WDF驅(qū)動模型到windows WDF驅(qū)動程序設(shè)計中進行講解：下面主要講講WDM驅(qū)動模型和WDF驅(qū)動模型的區(qū)別,； 1)WDF采用基于對象的技術(shù)對WDM進行封裝，對象包括,，屬性,，方法和事件，屬性好比C++中類中的成員變量,，而方法好比C++類中的成員函數(shù),，事件就是回調(diào)函數(shù)； 2)無論內(nèi)核模式的驅(qū)動程序或者用戶模式的驅(qū)動程序,，都采用同一套對象模型構(gòu)建,，采用同一個基礎(chǔ)承載。這個基礎(chǔ)就是WDF。 WDF包括KMDF和UMDF,，兩者都是繼承了WDF,，無論哪種框架，內(nèi)部封裝的方法還是WDM,。 3)WDF驅(qū)動模型封裝了很多通用的功能,，比如Pnp管理和電源管理，在WDM驅(qū)動模型下,，Pnp和電源管理是很復(fù)雜的,，最多有300種狀態(tài)，但是WDF驅(qū)動模型下,，WDF框架實現(xiàn)了Pnp和電源管理的功能,，驅(qū)動開發(fā)者幾乎不要寫一行代碼就可以實現(xiàn)Pnp和電源管理，舉個不恰當?shù)睦?，WDF驅(qū)動框架就是對WDM驅(qū)動的一次抽象,，好像C++中抽象類，其中以純虛函數(shù)的形式實現(xiàn)了PNp和電源管理,，如果用戶沒有特殊的要求直接使用框架提供的電源管理和Pnp管理就行了,。如果要實現(xiàn)特殊的功能，框架提供了回調(diào)函數(shù),，驅(qū)動開發(fā)者實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的功能就可以了,，這個回調(diào)函數(shù)就好比C++中的override，將基類提供的虛函數(shù)覆蓋掉,，實現(xiàn)自己的函數(shù),； 4)WDF 采用了基于隊列的I/O派遣隊列，這樣的好處是可以指定哪些IO在哪個隊列上使用,；這樣我個人認為 好處就是,，會減少IO同步操作，減少系統(tǒng)資源的占用,，比如說鎖的占用,；
（二） 講了WDM驅(qū)動模型和WDF驅(qū)動模型的區(qū)別后，我們下面講解WDM驅(qū)動模型,，首先從WDM驅(qū)動模型中重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)談起： 1）驅(qū)動對象(DRIVER_OBJECT) 每個驅(qū)動程序會有唯一的驅(qū)動對象與之對應(yīng),，它作為驅(qū)動的一個實例在內(nèi)核的I/O管理器負責(zé)加載。
typedef struct
{
PDEVICE_OBJECT DeviceObject;
PUNICODE_STRING HardwareDatabase;
PFAST_IO_DISPATCH FastIoDispatch;
PDRIVER_INITIALIZE DriverInit;
PDRIVER_STARTIO DriverStartIo;
PDRIVER_UNLOAD DriverUnload;
PDRIVER_DISPATCH MajorFunction[IRP_MJ_NUM+1];
} DRIVER_OBJECT,*PDRIVER_OBJECT;
DeviceObject:指向驅(qū)動程序創(chuàng)建的設(shè)備對象,。這個驅(qū)動程序調(diào)用IoCreateDevice的時候會自動賦予正確的設(shè)備對象指針,。每個驅(qū)動程序會有一個或多個設(shè)備對象。其中,，每個設(shè)備對象都有一個指針指向下一個驅(qū)動對象,，最后一個設(shè)備對象指向空,。此處的 DeviceObject指向驅(qū)動對象的第一個設(shè)備對象。通過 DeviceObject,，就可以遍歷驅(qū)動對象里的所有設(shè)備對象,。
MajorFunction[IRP_MJ_NUM+1]:函數(shù)指針的數(shù)組 ,每一個指針指向一個函數(shù)，這個函數(shù)就是處理IRP的派遣函數(shù),。
對于驅(qū)動程序來說,，每個驅(qū)動都有唯一的驅(qū)動對象與之對應(yīng)，驅(qū)動對象由IO管理器負責(zé)加載,；
將完驅(qū)動對象后,，另外一個重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是設(shè)備對象了,，在DRIVER_OBJECT中也包含DeviceObject對象的一項成員,，一般在驅(qū)動的DriverEntry中調(diào)用IoCreateDevice創(chuàng)建設(shè)備對象，然后將設(shè)備對象和驅(qū)動對象聯(lián)系起來,，下面先看看設(shè)備對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)吧,。
2）設(shè)備對象(DEVICE_OBJECT)
typedef struct _DEVICE_OBJECT {
.....
struct _DRIVER_OBJECT * DriverObject;
struct _DEVICE_OBJECT * NextDevice;
struct _DEVICE_OBJECT * AttachedDevice;
....
PVOID DeviceExtension;
.....
} DEVICE_OBJECT, *PDEVICE_OBJECT;
DriverObject:指向驅(qū)動程序中的驅(qū)動對象；
NextDevice：指向下一個設(shè)備對象,，這里指的下一個設(shè)備對象是同屬于一個驅(qū)動對象的設(shè)備,，每個設(shè)備對象根據(jù)NextDevice域形成鏈表，從而可以枚舉每個設(shè)備對象,；
AttachedDevice：指向下一個設(shè)備對象,，如果有更高層的驅(qū)動附加到這個驅(qū)動的時候， AttachedDevice指向那個更高層的驅(qū)動,。
DeviceExtension：指向的是設(shè)備的擴展對象,，也就是程序員自己定義的結(jié)構(gòu)體。
通過AttachedDevice可以將上層的驅(qū)動附加到下層驅(qū)動,；而DeviceExtension數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是很重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，一般保存全局的信息，這樣這些信息便于管理,，比如同步加鎖管理等等;增加驅(qū)動的可重入性,。在DeviceExtension 結(jié)構(gòu)中可以提供一個指向下層設(shè)備的指針，這樣從可以從上層設(shè)備找到下層設(shè)備,，同時也可以通過AttachedDevice從下層設(shè)備找到上層設(shè)備,。這樣方便查找設(shè)備
（三）介紹完WDM驅(qū)動模型重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，我們下面來看看,，Windows應(yīng)用程序怎么和驅(qū)動程序進行通信,，對于windows 平臺來說，應(yīng)用程序和驅(qū)動程序進行通信,，就是通過windows提供的api,，如：CreateFile,，ReadFile，WriteFile,DeviceIoControl,CloseFile等等,。 那么這些api是怎么聯(lián)系到驅(qū)動程序的呢,，舉個簡單的例子來說吧，CreateFile,，當應(yīng)用程序調(diào)用這個函數(shù)時,，通過注冊表，進入內(nèi)核調(diào)用NtCreateFile,，然后在內(nèi)核用系統(tǒng)的IO管理器創(chuàng)建和發(fā)送IRP,，對于IRP，就是輸入輸出請求包,，驅(qū)動程序都是IRP驅(qū)動的,，對于IO管理，Pnp管理,，電源管理,，都會轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的IRP，然后轉(zhuǎn)發(fā)給驅(qū)動程序,，而相對驅(qū)動程序,，主要的功能就是實現(xiàn)這些IRP的回調(diào)函數(shù)，而在WDF驅(qū)動模型下,，IO是由IO管理器的IRP和隊列共同作用的,。這一點在WDM驅(qū)動模型和WDF驅(qū)動的差別中進行了講解。
同樣對于ReadFile和WriteFile的流程和CreateFile相似,，都是通過IRP轉(zhuǎn)發(fā)給驅(qū)動的,。
（四）對于驅(qū)動人員來說，最關(guān)心的就是IO操作了,，在WDM和WDF驅(qū)動中,，驅(qū)動程序所創(chuàng)建的設(shè)備一般有2種讀寫方式：1）緩沖區(qū)方式；2）Direct方式 ,；3）Neither
緩沖區(qū)方式：在系統(tǒng)內(nèi)核中創(chuàng)建和用戶模式相同的緩沖區(qū),，用于發(fā)送或接收硬件的數(shù)據(jù)，然后將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)copy給應(yīng)用程序,；
Direct方式：和緩沖區(qū)方式讀寫設(shè)備不同,，直接方式讀寫設(shè)備，操作系統(tǒng)會將用戶模式下得緩沖區(qū)鎖住,，然后操作系統(tǒng)將這段緩沖區(qū)在內(nèi)核模式地址再次映射一遍,。這樣用戶模式的緩沖區(qū)和內(nèi)核模式的緩沖區(qū)指向的是同一區(qū)域的物理內(nèi)存。
Neither讀寫方式在此不在進行介紹,。 對于windows驅(qū)動開發(fā)的難點,，在于在驅(qū)動程序中減少緩沖區(qū)的copy,，因為memcpy是很耗時間和cpu的。
（五）Irp派遣函數(shù),，派遣函數(shù)是windows驅(qū)動程序中的一個重要概念,，驅(qū)動程序的主要功能是負責(zé)處理I/O請求，其中大部分I/O請求是在派遣函數(shù)中處理的,。
用戶模式下所有對驅(qū)動程序的I/O請求,，全部由操作系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為IRP的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不同的IRP數(shù)據(jù)會被派遣到不同的派遣函數(shù),。
IRP定義：
在windows內(nèi)核中,，有一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫做IRP(I/O Request Package),即輸入輸出請求包。它是與輸入輸出相關(guān)的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，上層應(yīng)用程序與底層驅(qū)動程序通信時,，應(yīng)用程序會發(fā)出I/O請求，操作系統(tǒng)將I/O請求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的IRP數(shù)據(jù),，不同類型的IRP會根據(jù)類型傳遞到不同的派遣函數(shù)中,。
（六）驅(qū)動的同步處理：和windows應(yīng)用程序多線程同步類似，內(nèi)核也有信號量,，互斥，自旋鎖,，事件等同步機制,，而這些同步機制 的函數(shù)就是在應(yīng)用程序的函數(shù)前面加一個ke，比如對于事件來說：SetEvent對于KeSetEvent,，WaitForSingleObject對應(yīng) KeWaitForSingleObject,。我們知道應(yīng)用程序多線程怎么同步，驅(qū)動程序內(nèi)部怎么同步,，那么驅(qū)動程序和應(yīng)用程序之間如果同步呢,，有一種方法，在應(yīng)用程序中調(diào)用DeviceIoControl傳遞一個Event句柄給驅(qū)動程序,，在驅(qū)動程序中鎖定這個句柄,，然后在驅(qū)動中調(diào)用KeSetEvent，在應(yīng)用程序中通過WaitForSingleObject就可以同步了,。其實對于DDK和WDK里面提供的函數(shù)也是這樣操作的,；下面在講解下DeviceIoControl的流程：
DeviceIoControl 分為同步和異步操作2種，主要是看最后一個參數(shù),，這個參數(shù)和CreateFile中一個參數(shù)配合使用,，就可以實現(xiàn)同步操作和異步操作，對于DeviceIoControl同步操作而言,，當應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl時,，其實里面會有一個等待的函數(shù),，當驅(qū)動程序通過 IoCompleteRequest 完成對應(yīng)的這個Irp時，其實他就是發(fā)送一個信號給應(yīng)用程序,，基本原理和上面講的應(yīng)用程序和驅(qū)動程序同步類似,。
同理當DeviceIoControl 異步調(diào)用時，也是類似的,。
（七）在驅(qū)動程序中有分層的概念,，比如說過濾驅(qū)動程序，在Ndis驅(qū)動中,，過濾驅(qū)動是很重要的,，比如你要實現(xiàn)一個防火墻或殺毒軟件，最可靠的方法就是實現(xiàn)一個Ndis中間層驅(qū)動程序,，在多層驅(qū)動程序框架下,，RP請求一般會被傳送到設(shè)備棧的最頂層的設(shè)備對象，頂層的設(shè)備對象可以選擇直接結(jié)束IRP(IoCompleteRequest),也可以選擇將IRP請求向下層的設(shè)備對象轉(zhuǎn)發(fā)（IoCallDriver）,，如果是向下層設(shè)備對象轉(zhuǎn)發(fā)IRP請求,，IRP結(jié)束時，IRP會順著設(shè)備棧的反方向原路返回,。當?shù)弥聦域?qū)動程序已經(jīng)結(jié)束IRP請求時,，本層設(shè)備對象可以選擇繼續(xù)講IRP向上返回，或者選擇將IRP再次傳遞給底層設(shè)備驅(qū)動,。
這樣防火墻原理就是做一個過濾驅(qū)動,，將惡意程序過濾掉，不然它提交給驅(qū)動程序,；殺毒軟件也類似,，在內(nèi)核就講病毒識別出來，在殺掉,！
（八）Pnp即插即用
即插即用體系結(jié)構(gòu)的主要目標是不需要用戶介入,，而直接對設(shè)備安裝、拆除操作進行自動配置,。
(1)系統(tǒng)能夠檢測到新設(shè)備的插入,，也能檢測到設(shè)備被拔出；
(2)如果總線接口容許,，設(shè)備可以實現(xiàn)熱插拔,，并保證系統(tǒng)可以正常工作，如usb設(shè)備,，當設(shè)備插入時,，系統(tǒng)會自動加載其驅(qū)動，并且保證usb總線上其它設(shè)備能正常工作,，另外當系統(tǒng)運行時,，拔掉usb設(shè)備不會引起系統(tǒng)的崩潰,。
狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：
1）當一個設(shè)備被添加到系統(tǒng)時，Windows查找正確的驅(qū)動程序,，并調(diào)用它的DriverEntry例程,；
2）Pnp管理器然后調(diào)用驅(qū)動程序的AddDevice例程，告訴它要添加一個新設(shè)備,，此時驅(qū)動程序創(chuàng)建自己的設(shè)備對象,；即FDO。
3）在處理的過程中,，驅(qū)動程序會收到IRP_MN_START_DEVICE的IRP,，開始與硬件進行合適的對話；
4）如果一個設(shè)備要被拔出,，Windows使用IRP_MN_REMOVE的IRP查詢驅(qū)動程序設(shè)備,。如果驅(qū)動程序不希望設(shè)備被刪除，它將拒絕刪除請求,，然后發(fā)送IRP_MN_CANCEL_REMOVE的IRP,，使它回到開始狀態(tài)；
5）如果用戶突然拔掉一個設(shè)備,，在Windows中會發(fā)送IRP_MN_SUPPRISE_REMOVE的IRP,，驅(qū)動必須處理好中斷了的傳輸。 （九）電源管理 （省略） |
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