windowｓＮＴ４．０下设备驱动程序的开发与应用

摘要： 介绍了Windows NT4.0内核模式设备驱动程序开发中的一般性过程。通过提供一个最小化驱动程序的核心代码，解释各组成部分的结构功能和使用方法。在实践中，结合自身的开发需要，可编写出具有实用价值的驱动程序。

关键词：Win32子系统 设备驱动 系统注册表 I/O请求包

Windows NT 以其安全、稳定及界面友好等特性逐渐成为工业控制领域的前台操作系统。面对工业控制中大量采用的串/并行通信及总线控制等技术，要求用户不断开发出满足自身需要的硬件设备，同时又要求用户应用程序与这些硬件设备进行通信，发送控制命令，读取状态信息等等。Windows NT出于安全性、稳定性等考虑，不允许用户应用程序对物理硬件进行直接访问，这就需要使用设备驱动程序跨越操作系统边界对物理硬件进行操作，并向上提供客户应用程序控制接口以供调用。

1 分层结构与设备驱动程序

Windows NT分层结构(如图1所示)包括运行于用户模式及内核模式的各种部件，设备驱动程序在图1的左下角，处于内核模式下I/O管理器之中。

 

2 驱动程序工作方式

内核模式驱动程序与应用程序之间的最大差别之一是驱动程序的控制结构。内核模式驱动程序没有main或WinMain，而是由I/O管理器根据需要调用一个驱动程序例程：

· 驱动程序被装入时;

· 驱动程序被卸出或系统关闭时;

· 用户程序发出I/O系统服务调用时;

· 共享硬件资源对驱动程序可用时;

· 设备操作过程中的任何时候。

3 初始化过程

3.1 系统注册表中有关设备驱动程序的项目是系统加载设备驱动程序的入口点

系统注册表中用于系统加载设备驱动程序的项目如下：

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesDriverName]

?

″Type″ = dword?00000001

″Start″ = dword?00000002

″Group″ = ″Extended Base″

″ErrorControl″ = dword∶00000001

其中Start含义如下：

SERVICE_BOOT_START (0×0) 操作系统装入时

SERVICE_SYSTEM_START (0×01) 操作系统初始化时

SERVICE_AUTO_START (0×02) 服务控制管理器启动时

SERVICE_DEMAND_START (0×03) 服务控制管理器手工启动

SERVICE_DISABLED ?(0×04) 不启动

Type含义如下：

SERVICE_KERNEL_DRIVER (0×1)

SERVICE_FILE_SYSTEM_DRIVER ?(0×2)

SERVICE_ADAPTER ?(0×4)

系统注册表中用于设备驱动程序加载后读取的项目如下：

[HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetServicesDriverNameParameters]

″Parameter1″ = dword∶00000001

″Parameter2″ = dword∶00000004

3.2 加载驱动程序的装入例程

I/O管理器调用驱动程序的DriverEntry例程，执行初始化。该例程完成：

· 初始化其它例程的入口;

· 创建命名设备对象;

· 读取系统注册表中相关项目并声明必要的资源;

· 设置内核驱动程序名与Win32子系统名的联接;

· 创建或初始化任意驱动程序使用的对象、类型和资源;

· 返回状态值。

I/O管理器建立与设备关联的Driver对象，并将其传递给DriverEntry例程。实际上Driver对象基本上是一个目录，含有指向各个驱动程序服务例程函数的指针，其结构如表1所示。

表1 Driver对象域说明

I/O管理器能够找到DriverEntry例程，是因为它有一个公认的名字，而其他的例程则通过下列两种方法查找：

·在Driver对象中有明确槽的函数?如DirverObject->DriverUnload;

·在Driver对象的MajorFunction数组中——Driver对象的MajorFunction支持两种类型的功能代码。一种为标准的功能代码，如IRP_MJ_CREATE。另一种是用户自定义的功能代码，如IRP_MJ_DEVICE_CONTROL。

所有驱动程序必须支持IRP_MJ_CREATE功能代码，这是因为Win32子系统下的用户程序调用CreateFile函数创建设备时，产生该功能代码。如果不处理这个功能代码，Win32程序就不能得到设备句柄。

用户自定义的功能代码IRP_MJ_DEVICE_CONTROL只有在用户模式下的客户程序执行自定义的功能时可用。

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject，IN PUNICODE_STRING RegistryPath)

{

?

//声明设备对象

PDEVICE_OBJECT DeviceObject，

//生成函数接口指针

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知道的设备名

RtlInitUnicodeString(&NtDeviceName，? SelfDeviceName);?

//生成自己的设备

Status=IoCreateDevice(?

DriverObject，? // Driver对象

sizeof(SELF_DEVICE_INFO)，? // Device对象

Extension结构大小

&NtDeviceName，

DeviceType，

0，

FALSE，? // 不执行

&DeviceObject //Device对象指针

);

? //生成Win32子系统下的用户程序可识别的设备名[!--empirenews.page--]

RtlInitUnicodeString(&Win32DeviceName，? SelfWin32Name);

//联接内部设备名与Win32子系统下的设备名

Status = IoCreateSymbolicLink( &Win32DeviceName， &NtDeviceName);

//利用RtlQueryRegistryValues函数读出注册表中Parameters下的参数值，初始化自己的硬件

...

｝

?

4 驱动程序服务例程

驱动程序初始化之后，始终等待发自用户的命令或由其它事件源引起的事件。一旦命令或事件发生，I/O管理器就调用相应的服务例程提供服务。而几乎所有的I/O都是通过I/O请求包?IRP驱动的。所谓IRP驱动，就是I/O管理器负责在非分页的系统内存中分配一定空间，当接受用户发出的命令或由事件引发后，将工作指令按一定的数据结构置于其中，传递到驱动程序服务例程。换言之，IRP包含了驱动程序服务例程所需要的信息指令。表2、表3为IRP的一些数据结构。

同时，I/O管理器和驱动程序都需要在所有时候知道一个I/O设备所进行的情况。系统提供Device对象以满足此要求。该对象在DriverEntry例程中生成设备时由系统创建后，分配给驱动程序，并在整个驱动程序生存期内有效。当I/O管理器调用驱动程序服务例程时，传递该对象。表4为Device对象的外部可见域。

表2 IRP标头中外部可见的域

表3 IRP堆栈单元的一些内容

表4 Device 对象的外部可见域

其中，DeviceExtension域是一个重要的数据结构。它是由I/O管理器创建并自动挂接到Device对象的非分页池，是保存驱动程序任意全局变量的最好办法。因为DeviceExtension是驱动程序特定的，要自定义它的数据结构。

下面是一个驱动程序服务例程利用Device对象和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);

?

//得到由用户应用程序发来的用户数据，并在需要时，将结果通过此变量返回给用户

pIOBuffer=?PULONGpIrp->AssociatedIrp.System

Buffer;?

// 由IRP携带的信息决定驱动程序的执行

switch (pIrpStack->MajorFunction)

{

case IRP_MJ_CREATE：?

case IRP_MJ_CLOSE：?

Status = STATUS_SUCCESS;?

break;

case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL：

//由Parameters进一步解释控制代码含义

switch ?(pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode)

{

case IOCTL_Function1：?

//执行功能代码

Field1 = pLDI->SelfField1;?

...

break;?

case IOCTL_Function2：?

//执行功能代码

...

break;?

｝?

break?

｝

?

// 返回I/O操作的状态

pIrp->IoStatus.Status = Status;

IoCompleteRequest(pIrp? IO_NO_INCREMENT); ?

return Status;

｝

?

5 驱动程序终止例程

Unload例程负责取消由DriverEntry例程所做的任何事情，包括解除属于该驱动程序的任何硬件资源的分配，以及删除属于驱动程序的任何内核对象。通常这仅在系统关闭时需要。

VOID XxUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)

{

?

PLOCAL_DEVICE_INFO pLDI;

UNICODE_STRING Win32DeviceName;

// 得到全局数据，根据全局数据进行清理工作

pLDI=?PLOCAL_DEVICE_INFODriverObject->Device

Object->DeviceExtension?

if (pLDI->Field2 == TRUE)

{

...

?

// 删除分配的设备名及设备

RtlInitUnicodeString(&Win32DeviceName， SelfWin32 Name);?

IoDeleteSymbolicLink(&Win32DeviceName);?

IoDeleteDevice(pLDI->DeviceObject);?

｝

?

6 用户层应用程序与驱动程序间的接口

驱动程序完成后，将在系统重新引导时装入并初始化(由DriverEntry例程完成)。此时，驱动程序处于可用状态，等待用户层应用程序使用。用户层应用程序可以：

·打开该设备文件(由IRP_MJ_CREATE功能代码完成)

·读出数据(由IRP_MJ_READ功能代码完成)

·写入数据(由IRP_MJ_WRITE功能代码完成)

·执行用户自定义的功能代码(由IRP_MJ_DEVICE_CONTROL功能代码完成)

·关闭该设备文件(由IRP_MJ_CLOSE功能代码完成)

以下是部分实现代码：

void main()?

{

HANDLE hndFile; // 由CreateFile得到

union ?{

ULONG LongData;?

USHORT ShortData;?

UCHAR CharData;?

? ｝DataBuffer;? //从设备驱动程序中得到的数据

LONG IoctlCode;? //功能代码

ULONG DataLength;?

LONG Parameter1;?

//调用IRP中的IRP _MJ_CREATE功能

hndFile = CreateFile(?

″\\.\SelfWin32Name″，? // 打开设备文件″ SelfWin32Name″[!--empirenews.page--]

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; //自定义功能代码

Parameter1 = 1;

DataLength = sizeof(DataBuffer.CharData);?

IoctlResult = DeviceIoControl(

hndFile? //设备文件句柄

IoctlCode?//功能代码，对应IRP中的Parameter.

//DeviceIoControl.IoControlCode域

&Parameter1，//传递到驱动程序的参数缓冲区，对应

//IRP中的AssociatedIrp.SystemBuffer

sizeof(Parameter1)? //参数缓冲区长度

&DataBuffer，? //从驱动程序传出的数据缓冲区

DataLength，? //缓冲区长度

&ReturnedLength，? //返回的实际缓冲区长度

NULL //等待，直到操作完成

);

if(!CloseHandle?hndFile)) //关闭设备

?

{

printf(″Failed to close device.n″);?

??｝

｝

以上介绍了Windows NT4.0设备驱动程序开发中的一般性过程。用户可利用NT SDK 及DDK开发工具包，并根据自身需要，对以上核心代码进行扩充完成所需任务。