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Windows Driver Model

九月 25, 2023

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 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

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 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

  • ，written by well-known Windows driver developer, Walter Oney.
  • ，CodeProject
  • ，CodeProject

參考 编辑

  • Walter Oney，《Windows Driver Model》

九月 25, 2023
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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 amp deviceName DEVICE NAME status IoCreateDevice DriverObject 0 amp deviceName FILE DEVICE UNKNOWN FILE DEVICE SECURE OPEN true amp pDeviceObj UNICODE STRING linkName RtlInitUnicodeString amp linkName LINK NAME status IoCreateSymbolicLink amp linkName amp deviceName DriverObject gt DriverUnload DriverUnload DriverObject gt MajorFunction IRP MJ CREATE DriverObject gt MajorFunction IRP MJ CLOSE DriverObject gt MajorFunction IRP MJ DEVICE CONTROL xxDriverDispatch DriverObject gt 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 gt IoStatus Status STATUS SUCCESS pIrp gt IoStatus Information 0 IrpStack IoGetCurrentIrpStackLocation pIrp switch IrpStack gt MajorFunction case IRP MJ CREATE break case IRP MJ CLOSE break case IRP MJ DEVICE CONTROL IoControlCodes IrpStack gt Parameters DeviceIoControl IoControlCode switch IoControlCodes case IOCTL 1 break case IOCTL 2 break default pIrp gt IoStatus Status STATUS INVALID PARAMETER break break default break ntStatus pIrp gt 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 gt 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 Environmentbuild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Windows Driver Foundation Windows Display Driver Model VxD外部連結 编辑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 编辑Walter Oney Windows Driver Model 取自 https zh wikipedia org w index php title Windows Driver Model amp oldid 60465102, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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