Windows Driver Model
視窗驅動程式模型(Windows Driver Model,簡稱WDM),是微軟視窗作業系統的驅動程式設計架構,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
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
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
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
當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
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
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
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
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
- 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。
外部連結
- Windows Driver Foundation Homepage
- Introducing Windows Driver Framework,written by well-known Windows driver developer, Walter Oney.
- Building and deploying a basic WDF Kernel Mode Driver,CodeProject
- Developing a WDF USB Kernel Mode Driver for the OSR USB FX2,CodeProject
- A simple demo for WDM Driver development
參考
- Walter Oney,《Windows Driver Model》