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Windows下驱动程序设计

楼主#
更多 发布于:2007-11-08 13:30
Windows下的底层驱动程序设计
                        

摘要:本文介绍了Windows下驱动程序的设计的必要性和基本方法,主要适合于驱动程序的初学者。

一、    驱动程序设计的必要性
在传统DOS系统下,每个应用程序都有权利读写硬件,读写I/O端口,控制系统中断,然而到了Windows系统中,为了保持良好的系统安全性,对应用程序的权限作出了限制,因为不适当的硬件读写会引发整个系统的崩溃。在Windows系统中,将整个程序设计为分层结构,其中,应用程序位于ring3,驱动程序位于ring0,应用程序不能读写底层硬件,对于硬件操作必须借助于底层驱动程序,所以,只要是与硬件系统打交道的Windows程序,必然会涉及到驱动程序的开发和设计。

二、    驱动程序的分类和设计工具
驱动程序是Windows系统的内核,驱动程序的分类与Windows相关,在Windows 9X下,驱动程序的类型为VXD(虚拟设备驱动程序),在Windows 2000/XP,驱动程序的类型为WDM(Windows驱动程序设计模型),生成的驱动程序设计文件为.sys格式。
在Windows9X下,设计驱动程序的工具称为VTOOLSD,而在Windows 2000/xp下,设计驱动程序的工具为DriverStudio中的DriverWorks,另外的设计驱动程序的工具还有WinDriver,微软提供的开发工具为Windows DDK。由于所有的驱动设计工具均以DDK作为基本的类或者参照,加上DDK是一个免费软件,所以在下面主要以DDK为例进行讲解,掌握了DDK工具,其他工具也就变得简单了。

三、    Window DDK软件的安装与环境设置
每个Windows系统都有各自的DDK开发工具,在安装DDK前,请先根据Windows系统的不同,安装不同的DDK工具。在安装DDK之前,请先安装相应的编译器如Visual C++6.0,本文以Windows 2000下的DDK为例,说明安装过程,安装DDK完成后,选择菜单“开始”->“Development Kit”->“Check Build environment”将自动进行各项环境的设置,当然用户也可选择“Free Build environment”,二者的区别在于“check”带有调试信息,“Free”则不带有调试信息,一般情况下,在软件开发阶段,选用“check”,而在发布阶段,选用“Free”。
选择上述命令后,将进入编译环境,该环境为“DOS”界面,进入驱动程序所在的目录,一般情况下,该目录包含了以下文件:
makefile 编译文件,一般不作更改
sources 规定了其中的源文件,驱动程序的类型
源文件 为.c或者.h文件
为了编写方便,我们可以进入DDK提供的例子下面,将makefile和sources拷贝到我们程序所在的目录下,将sources进行简单的修改,编译时,进入相应的目录,在该目录下输入“Build”,系统编译完成后,将在objchk\i386目录下生成相应的.sys文件。

四、    驱动程序的编写
寻找一个合适的编译器如EditPlus,当然也可以用VC,只不过需要手动编译,第一步,找到驱动程序的入口函数DriverEntry(),相当于Main()或者WinMain(),所有的驱动函数入口均从DriverEntry()开始,下面以端口驱动程序为例,说明驱动的编写。该文件位于NTDDK\src\general\portio下。
1.    创建设备
对于设备驱动程序,首先要创建该设备,这段代码可以放在DriverEntry中,也可放在AddDevice中。
首先,调用IoCreateDevice()创建自己的设备,该函数用法可以参考DDK或者相关示例。在端口操作中,可以将函数写为:
status = IoCreateDevice (DriverObject,
                     sizeof (LOCAL_DEVICE_INFO),
                     &7,
                     GPD_TYPE,
                     0,
                    FALSE,
                   &deviceObject);
其次,调用函数IoCreateSymbolicLink()创建两个设备之间的连接
    status = IoCreateSymbolicLink( &win32DeviceName, &ntDeviceName );
2.    初始化所用的资源
在驱动程序中,总需要访问I/O端口、系统中断、内存地址以及DMA,使用这些资源之前,需要获取资源并且初始化,一种简单的方法是直接指定,如中断10,DMA3等,这种方法虽然简单,但灵活性差,任何硬件资源的改变均需在驱动程序中作出修改;另一种较为科学的方法就是让驱动程序访问注册表,从注册表中访问硬件资源,然后进行初始化。
在驱动程序中,访问注册表的函数为RtlQueryRegistryValues(),该函数的用法较为复杂,可参考相关资料,建议在驱动程序开始开发时,直接给资源赋值,等驱动程序调试成功后再加入访问注册表代码。
3.    注册驱动程序的各个处理函数
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]          = GpdDispatch;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]           = GpdDispatch;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]  = GpdDispatch;
    DriverObject->DriverUnload                          = GpdUnload;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP]            = GpdDispatchPnp;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER]          = GpdDispatchPower;
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_SYSTEM_CONTROL]= SystemControl;
    DriverObject->DriverExtension->AddDevice           = GpdAddDevice;
处理函数的注册方法有点类似Windows下应用程序设计的消息处理函数,注册完成后,当处理相应的IRP时,自动调用相应的函数模块。

五、    驱动程序与应用程序间的信息交互
驱动程序用以访问底层硬件,应用程序实现人机交互,驱动程序和应用程序之间需要实现相应的信息交互,一方面,应用程序通过对驱动程序发送相应的指令,实现硬件控制的动作指令,另一方面,驱动程序将硬件读写的状态、从硬件上获得的数据传送给驱动程序,实现应用程序与驱动程序间的交互函数包括以下API函数;相应的API函数能够激发驱动程序的消息。
接口API函数    驱动程序的中IRP
CreateFile    IRP_MJ_CREATE
CloseHandle    IRP_MJ_CLOSE
ReadFile    IRP_MJ_READ
WriteFile    IRP_MJ_WRITE
DeviceIoControl    IRP_MJ_DEVICE_CONTROL
在应用程序中,用户可以调用上述函数操作驱动程序,其中CreateFile( )用于打开驱动程序,在使用完驱动程序之后,可以用CloseHandle()关闭驱动程序,ReadFile( )用于从驱动程序中读取数据,WriteFile()用以往驱动程序中写入数据,在函数中,最重要的是DeviceIoControl(),通过定义各种ITL_CODE来实现应用程序与驱动程序间的通讯函数,并可以传递各种参数和数据。

六、    驱动程序的安装
1.手动安装方法
生成的驱动程序为sys后缀,一般放于Windows\System32\Drivers目录下,如果进行手动安装,可以将生成好的驱动程序拷贝到该目录中,然后修改注册表,对于注册表的修改,可以进入注册表修改程序进行修改,也可编写注册表程序进行修改,以下为一注册驱动程序的注册表文件示例。
REGEDIT4

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Device]
"Type"=dword:00000001
"Start"=dword:00000001
"ErrorControl"=dword:00000001
"DisplayName"="Device"
"Group"="port"
"Tag"=dword:00000001

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\Device\Parameters]
"IRQ Line"=dword:00000003
直接在资源管理器下双击reg文件,在弹出的窗口上选择“是”将直接修改注册表,完成后,重新启动Windows系统,将调用驱动程序。
2.编写安装文件INF
INF文件含有安装一个WDM设备驱动程序需要的所有必需的信息,包括赋值的文件列表,要创建的注册表项等,Windows为大多数类型的设备提供了一个标准的安装程序。INF文件是一个文本文件,由节组成,每一节从括在方括号中的节的名称开始,后面是节的内容,每一行可以是简单的一项,或者设置一个一个值。具体的INF文件编写可以参考现成的示例。
DDK安装完成后,其中存在工具GenINF,可以按照该向导进行INF文件的编写。
3.利用API函数编程实现驱动程序的安装
利用API函数实现注册表的安装,其实是利用访问注册表的API函数访问修改注册表,实现驱动程序的安装。这种方法完全可以嵌入到我们的应用程序中,以下提供了安装驱动程序的API代码。主要的API函数包括RegCreateKeyEx(),RegSetValueEx(),RegQueryValueEx(),RegCloseKey() 。

七、    驱动程序的调试
由于驱动程序的所有信息不能直接输出到屏幕上,所以驱动程序的调试较一般应用程序要难得多,在调试时,可以利用应用程序中的DeviceIoControl()获取驱动程序的状态,也可借助调试工具SoftIce,比较方便的工具是SysInternals公司的DebugView,如果驱动程序中带有调试语句信息DbgPrint(),可以直接将该函数提供的信息显示到屏幕上。

NvShen
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沙发#
发布于:2007-11-15 19:29
很好...很强大...牛得掉渣....
scship
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板凳#
发布于:2007-12-14 00:27
感觉少了点内容的?!
angel_dolphin_i
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地板#
发布于:2007-12-28 08:35
超级无敌巨牛
chelalv
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地下室#
发布于:2008-06-14 23:14
确实通俗易懂~~~~~
yuyinxl
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5楼#
发布于:2009-09-23 16:40
很好的资料
yulei259471
驱动牛犊
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6楼#
发布于:2009-10-02 19:29
很好,很强大
superlym
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7楼#
发布于:2010-01-14 11:22
很好,正需要呢
firmerliu
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发布于:2010-05-02 16:44
学习了,不错,谢谢!
冰冻三尺非一日之寒
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