Windows 2000內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

摘要：介紹了Windows2000驅(qū)動(dòng)程序模型的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的基本問(wèn)題。并以PCI接口的ATM信令接口卡開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序部分為例，簡(jiǎn)單介紹了驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的方法和步驟．并介紹了驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)環(huán)境的設(shè)置及編譯方法。這種內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程得到了簡(jiǎn)化，并降低了其復(fù)雜性。

關(guān)鍵詞：Windows2000；驅(qū)動(dòng)程序模型；ATM信令接口

0引言

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是直接同硬件打交道的軟件模塊。在Windows2000中，微軟公司在WindowsNT4．0的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，同時(shí)引入了Windows9X的即插即入特性，推出了新的驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)模式（WDM）。WDM通過(guò)提供一種靈活的方式來(lái)簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，在實(shí)現(xiàn)對(duì)新硬件支持的基礎(chǔ)上減少并降低所必須開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)量和復(fù)雜性。在Windows2000中的驅(qū)動(dòng)程序可以分為2大類：用戶模式驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核模式的驅(qū)動(dòng)程序。用戶模式驅(qū)動(dòng)程序是與子系統(tǒng)特定相關(guān)的，它包含了Win32多媒體驅(qū)動(dòng)程序、支持MS－DOS應(yīng)用程序的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序VDD（VirtualDeviceDriver）。內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序有3種基本類型，每一種都有稍微不同的結(jié)構(gòu)和完全不同的功能，即最高層驅(qū)動(dòng)程序（如文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序（FSD））、中間層驅(qū)動(dòng)程序（例如虛擬磁盤、鏡像或設(shè)備類型特定的外圍設(shè)備）、底層驅(qū)動(dòng)程序（例如PnP硬件總線驅(qū)動(dòng)程序）。在Windows2000操作系統(tǒng)下的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)分為3個(gè)主要的領(lǐng)域：WDM驅(qū)動(dòng)程序、文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序和小端口驅(qū)動(dòng)程序，見(jiàn)圖1。其中小端口驅(qū)動(dòng)程序針對(duì)的是顯示設(shè)備、SCSI和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等特定領(lǐng)域；文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序針對(duì)的是存儲(chǔ)設(shè)備；WDM驅(qū)動(dòng)程序針對(duì)的則是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所面對(duì)的大多數(shù)情況。本文我們討論了WDM內(nèi)核模式的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的一般問(wèn)題，雖然其他類型驅(qū)動(dòng)程序與WDM內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)有所不同，但只要掌握了WDM內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)，結(jié)合2種基本類型的本身特點(diǎn)，就能夠很快掌握設(shè)計(jì)方法。

1WDM的基本原理

WDM是一個(gè)模塊化的、分層次類型的微型驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中左邊是一個(gè)設(shè)備對(duì)象堆棧，右邊為驅(qū)動(dòng)程序的分層結(jié)構(gòu)。在WDM驅(qū)動(dòng)程序模型中，每個(gè)硬件至少要包含功能驅(qū)動(dòng)程序和總線驅(qū)動(dòng)程序2個(gè)層。總線驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榭偩€上發(fā)現(xiàn)的每個(gè)設(shè)備創(chuàng)建物理設(shè)備對(duì)象PDO，每個(gè)功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建自己的功能設(shè)備對(duì)象FDO。在驅(qū)動(dòng)程序中不是直接操作硬件，而是操作相應(yīng)的PDO與FDO。來(lái)自用戶模式API的I／O請(qǐng)求包（IRP）送到設(shè)備堆棧的最上層驅(qū)動(dòng)程序，然后逐漸過(guò)濾到下層的驅(qū)動(dòng)程序。每一層驅(qū)動(dòng)程序都可以決定如何處理IRP。內(nèi)核模式的WDM驅(qū)動(dòng)程序有著可移植性、可配置性、基于對(duì)象、包驅(qū)動(dòng)等共有的屬性。

用戶態(tài)程序和內(nèi)核通過(guò)設(shè)備對(duì)象訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備。WDM驅(qū)動(dòng)程序有2種方法提供

Win32程序可用的名稱，舊的方法是在驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備創(chuàng)建時(shí)，通過(guò)函數(shù)IoCreate－SymbolicLink創(chuàng)建一個(gè)符號(hào)鏈接名，新的方法是使用128位的設(shè)備接口標(biāo)識(shí)（GUID）。在驅(qū)動(dòng)程序編寫中，該GUID可以通過(guò)Windows提供的guidgen．exe工具生成。

2WDM驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

內(nèi)核模式的驅(qū)動(dòng)程序不同于常規(guī)的應(yīng)用程序，可以把一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)程序看作是一個(gè)容器，它包含許多例程，當(dāng)操作系統(tǒng)遇到一個(gè)IRP時(shí)，它就調(diào)用這個(gè)容器中的例程來(lái)執(zhí)行該IRP的各種操作。圖3表示了這一概念。在每一個(gè)WDM驅(qū)動(dòng)程序中，都必須擁有DriverEntry、AddDevice、DispatchPnP、DispatchPower和DispatchWmi這5個(gè)例程，其他的例程則是可選的。需要對(duì)IRP排隊(duì)的驅(qū)動(dòng)程序一般都有一個(gè)StartIo例程，執(zhí)行DMA傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)程序應(yīng)有一個(gè)AdapterControl例程。大部分能生成硬件中斷的設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序都有一個(gè)中斷服務(wù)例程（ISR）和一個(gè)延遲過(guò)程調(diào)用（DpcForIsr）例程。驅(qū)動(dòng)程序一般都有幾個(gè)支持不同類型IRP的分發(fā)例程。WDM驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)者的主要任務(wù)就是為如圖3所示的容器選擇，并完成所需要的例程。

當(dāng)I／O管理器裝入驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，它調(diào)用每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序必須有的DriverEntry例程，以用來(lái)初始化驅(qū)動(dòng)程序范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和資源。一般來(lái)說(shuō)，在DriverEntry例程中通常完成以下功能：①找到所要控制的硬件；②在驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο笾性O(shè)置驅(qū)動(dòng)程序的Dispatch－，AddDevice，Startio（如果有）和UN－LOAD（如果有）等分發(fā)例程的程序的入口點(diǎn)；③建立所有驅(qū)動(dòng)程序?qū)ο蠡蚱渌到y(tǒng)資源；④返回的NTSTATUS表明驅(qū)動(dòng)程序是否成功裝入，并能接收和處理來(lái)自PnP管理器的配置、增加（AddDevice）及啟動(dòng)其設(shè)備的請(qǐng)求。對(duì)于功能驅(qū)動(dòng)程序，AddDevice函數(shù)的基本職責(zé)是創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備對(duì)象并把它聯(lián)接到以PDO為底的設(shè)備堆棧中。分發(fā)（Dispatch）例程是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供的主要函數(shù)。當(dāng)被調(diào)用去執(zhí)行一個(gè)I／O操作時(shí)，Windows2000通過(guò)實(shí)現(xiàn)Dispatch例程來(lái)處理來(lái)自用戶模式應(yīng)用程序的請(qǐng)求或來(lái)自系統(tǒng)的其他地方的請(qǐng)求。

一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)程序要完成以下工作：初始化；創(chuàng)建與刪除設(shè)備；處理應(yīng)用層程序的打開(kāi)和關(guān)閉句柄的請(qǐng)求；處理應(yīng)用層程序的輸入／輸出請(qǐng)求；串行化對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)；訪問(wèn)硬件；調(diào)用其他驅(qū)動(dòng)程序；取消I／O請(qǐng)求；處理可熱插拔設(shè)備的加入和刪除事件；電源管理和WMI；對(duì)能夠產(chǎn)生中斷的設(shè)備進(jìn)行中斷處理。

操作系統(tǒng)使用I／O請(qǐng)求包（IRP）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)核模式驅(qū)動(dòng)程序通信。IRP是一個(gè)內(nèi)核對(duì)象，它是一個(gè)預(yù)先定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，帶有一組對(duì)它進(jìn)行操作的I／O管理器例程。I／O管理器接收一個(gè)I／O請(qǐng)求后分配并初始化一個(gè)IRP。一個(gè)IRP有一個(gè)固定的首部和可變數(shù)目的IRP堆棧單元塊，每個(gè)堆棧單元塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)將處理該IRP的驅(qū)動(dòng)程序，因此這些堆棧塊至少應(yīng)與驅(qū)動(dòng)程序堆棧中將要處理這一請(qǐng)求的驅(qū)動(dòng)程序數(shù)目一樣多。每個(gè)I／O請(qǐng)求有一個(gè)主功能代碼（IRP＿M(jìn)J＿XXX），并可能有次功能代碼（IRP＿M(jìn)N＿XXX）。主功能代碼決定了該I／O請(qǐng)求調(diào)用的分發(fā)例程的驅(qū)動(dòng)程序入口點(diǎn)。分發(fā)例程接收到I／O請(qǐng)求后進(jìn)行如下處理：確認(rèn)I／O請(qǐng)求的合法性；盡可能在分發(fā)例程中直接完成該I／O請(qǐng)求；如果該請(qǐng)求不能在驅(qū)動(dòng)程序的分發(fā)例程中被處理完，驅(qū)動(dòng)程序就把這個(gè)請(qǐng)求排進(jìn)隊(duì)列，以便以后完成處理。WDM驅(qū)動(dòng)程序提供了2種I／O請(qǐng)求排隊(duì)的方法：I／O管理器管理的系統(tǒng)排隊(duì)和驅(qū)動(dòng)程序自己管理的驅(qū)動(dòng)程序排隊(duì)。