Windows Driver Model

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視窗驅動程式模型Windows Driver Model,簡稱WDM),是微軟視窗作業系統驅動程式設計架構,包括對於各項裝置(Device)的支援,如鍵盤(Keyboard)、滑鼠(Mouse)、網路卡(Network Driver Interface Specification,Ndis)、通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)等。WDM可支援Windows 98, Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows 2000, Windows XP以及Windows Server 2003在x86平台上的建制工作。這個架構分成好幾個管理層面:

  • 核心(Kernel)
  • 物件管理(Object Manager)
  • 執行(Executive)
  • 輸入輸出管理(I/O Manager)
  • 記憶體管理(Memory Manager)
  • 行程服務(Process Service)
  • 執行時期函式庫(Run-time Library)
  • 電源管理(Power Manager)
  • 隨插即用子系統(Plug and Play Subsystem)
  • 視窗管理指令(Windows Management Instrumentation,WMI)
  • 核心流(Kernel Streaming)
  • 硬體抽象層(Hardware Abstraction Layer)

種類[编辑]

驅動程式的種類有匯流排驅動程式(bus driver)、功能驅動程式(function driver)、篩選驅動程式(filter driver)三種:

  • 匯流排驅動程式(bus drivers)
    • 虛擬匯流排驅動程式(Virtual bus drivers):呼叫IoInvalidateDeviceRelations通知PnP Manager。
  • 功能驅動程式(function drivers)
    • 微埠型驅動程式(miniport drivers):屬於USB, Audio, SCSI以及network的轉換器(adapters)。
    • 虛擬裝置驅動程式(Virtual device drivers)
    • 類型驅動程式(Class drivers)
  • 篩選性驅動程式(filter drivers)
    • 上層篩選性驅動程式(upper-filter drivers)
    • 下層篩選性驅動程式(lower-filter drivers)

程式進入點[编辑]

如同許多語言從main函式開始,WDM驅動程式的載入(Loading)乃至於動作,以及其卸載(Unload)行為,都有其步驟與規則。WDM驅動程式可以動態式的載入與卸載,當偵測到裝置(Device)插入的時候,依據「PnP Manager」會自動地載入相對應的裝置驅動程式,然後成為「Driver Object」,並呼叫DriverEntry函式。所有的WDM驅動程式,都必須擁有這個DriverEntry常式(routine),而且「此一名稱不可改變」的,所有的驅動程式也是從這裡開始執行的,I/O Manager首先呼叫驱动程式的DriverEntry()。DriverEntry在DDK Compiler編譯出來的輸出符號表是“DriverEntry@8”,原因是微軟的C編譯器把stdcall函示(例如VcDCall)的名稱加上“記號”,加上一個@符號,在附上參數的總位元組個數,8指此function的所有參數所佔的byte數。

DriverEntry函式有兩個參數,其中第一个参数PDRIVER_OBJECT DriverObject是指向该驅動程式对应的物件指標;PUNICODE_STRING RegistryPath,驅動程式的服务主要鍵碼,這個參數的使用時機並不多。以下是一個簡單而標準的DriverEntry基本實作:

 NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING pRegistryString)
 {
   //PDEVICE_OBJECT DriverObject;
   UNICODE_STRING deviceName;
   RtlInitUnicodeString( &deviceName, DEVICE_NAME );
 
   status = IoCreateDevice( DriverObject, 0, &deviceName, 
      FILE_DEVICE_UNKNOWN, FILE_DEVICE_SECURE_OPEN, true, &pDeviceObj );
 
   UNICODE_STRING linkName;
   RtlInitUnicodeString( &linkName, LINK_NAME );
   status = IoCreateSymbolicLink( &linkName, &deviceName );
 
   DriverObject->DriverUnload = DriverUnload;
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] =
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] =
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = xxDriverDispatch;
   DriverObject->DriverUnload = xxUnload;
 
   return STATUS_SUCCESS;
 }

IRQL[编辑]

DriverEntry運作在IRQL = PASSIVE_LEVEL等級,所以可以使用分頁內存。WDM有數個經常實作的PASSIVE_LEVEL等級如下:

  • DriverEntry
  • Dispatch Function:DispatchXxx
  • Unload:UnloadXxx
  • AddDevice: XxxAddDevice
  • Reinitialize: XxxReinitialize

另外還有幾個DISPATCH_LEVEL等級的函式如下:

  • StartIo
  • AdapterControl
  • ControllerControl
  • IoTimer
  • Dpc(延遲程序呼叫,Deferred Procedure Call)

派送行程[编辑]

DriverEntry函式完成物件的初始化與系統註冊之後,接下來的重點便會落在Dispatch Function身上。每當I/O Manager得到一個請求時(例如按鍵,移動滑鼠),它使用請求的函數代碼(IoControlCode)呼叫驅動程序中幾個Dispatch行程。

 NTSTATUS xxDispatch (IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,IN PIRP pIrp)
 { 
    NTSTATUS ntStatus = STATUS_SUCCESS;
    ULONG IoControlCodes = 0;             
    PIO_STACK_LOCATION IrpStack=NULL;   
 
    pIrp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
    pIrp->IoStatus.Information = 0;
 
    IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);    
 
    switch (IrpStack->MajorFunction)
    { 
        case IRP_MJ_CREATE:
            break;
        case IRP_MJ_CLOSE:
            break;
        case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:
            IoControlCodes=IrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;
            switch (IoControlCodes)
            { 
                case IOCTL_1:
                    break;
                case IOCTL_2:
                    break;
                default:
                    pIrp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
                    break;
            }
            break;
        default:
            break;
    }
    ntStatus=pIrp->IoStatus.Status;
 
    IoCompleteRequest(pIrp,IO_NO_INCREMENT);
 
    return ntStatus;
 }

卸載[编辑]

Unload負責在驅動程式被停止前做一些必要的處理動作,如释放资源,记录最後状态等。

 VOID DriverUnLoad (IN PDRIVER_OBJECT DriverObject)
 { 
   if (DeviceObject) {
   IoUnregisterFileSystem(DeviceObject);
   IoDeleteDevice(DeviceObject);
   //DeviceObject = 0;
 }

編譯[编辑]

驅動程式的编译需要使用DDK(Device Driver Kit)中的build指令,它是一道命令行程序,一般會在後面加上參數:-ceZ。例如:

 C:\driver sample>build.exe -ceZ

DDK可用於建立用於 Windows 2000、Windows XP、Microsoft Windows Server 2003、Vista的建置環境,但在Windows作業系統並非預設的功能,必須另行安裝。安装完成後你會看到Build Enviroment,free是指release版,check則是debug版

  • Windows XP checked 64 Bit Build Environment
  • Windows XP checked Build Environment
  • Windows XP free 64 Bit Build Environment
  • Windows XP free Build Environment

build指令一開始呼叫Build.exe編譯連結器,從系統「環境變數」(Environment Variable)Include中得到引用文件的地址,然後呼叫Visual C++的编译链接器Nmake.exe进行实际的编译链接工作。在編譯過程中遇到的错误,遇到的警告,會記錄到buildxxx.log,buildxxx.wrn,buildxxx.err等文件中。

安裝[编辑]

安裝過程分成兩個步驟:

  • 首先將编译成的.sys文件複製到Windows NT的System32\\Drivers\\目錄下;
  • 接著在Registry的HKEY_LOCAL_MACHINE\\SYSTEM\\CurrentControlSet\\Services\\下建立和.sys文件同名的键,然后在之下建立名为Start、Type、ErrorControl的三種REG_DWORD類型的键值。

範例[编辑]

Microsoft DDK提供了大量的WDM範例(samples)參考,這些範例隨著DDK的安裝,會進駐我們的系統之中(WINDDK\xx00\src)。一般人不大可能從輪子造起一個新的驅動程式,大部份要靠“既有的範例”來改良一個新的驅動程式。

  • 1394
  • Audio
  • AVStream
  • filesys
  • general
  • hid
  • input
  • ir
  • kernel

批評[编辑]

  • WDM學習曲線過長。
  • 電源管理(power management)事件與隨插即用(Plug-and-play)差異太大。導致系統的睡眠(sleep)與清醒(wake up)狀態容易產生問題。
  • I/O cancellation幾乎不可能達成。
  • 每支驅動程式動輒要撰寫數千行的程式碼。
  • 不支援純使用者模式(pure user-mode)驅動程式。

相關條目[编辑]

外部連結[编辑]

參考[编辑]

  • Walter Oney,《Windows Driver Model》