Windows 2000內核模式驅動程序設計

摘要：介紹了Windows2000驅動程序模型的基本結構、設計和開發的基本問題。并以PCI接口的ATM信令接口卡開發的驅動程序部分為例，簡單介紹了驅動程序開發的方法和步驟．并介紹了驅動程序開發環境的設置及編譯方法。這種內核模式驅動程序設計的開發過程得到了簡化，并降低了其復雜性。

關鍵詞：Windows2000；驅動程序模型；ATM信令接口

0引言

設備驅動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的驅動程序結構基礎上，同時引入了Windows9X的即插即入特性，推出了新的驅動程序結構模式（WDM）。WDM通過提供一種靈活的方式來簡化驅動程序的開發，在實現對新硬件支持的基礎上減少并降低所必須開發的驅動程序的數量和復雜性。在Windows2000中的驅動程序可以分為2大類：用戶模式驅動程序和內核模式的驅動程序。用戶模式驅動程序是與子系統特定相關的，它包含了Win32多媒體驅動程序、支持MS－DOS應用程序的虛擬設備驅動程序VDD（VirtualDeviceDriver）。內核模式驅動程序有3種基本類型，每一種都有稍微不同的結構和完全不同的功能，即最高層驅動程序（如文件系統驅動程序（FSD））、中間層驅動程序（例如虛擬磁盤、鏡像或設備類型特定的外圍設備）、底層驅動程序（例如PnP硬件總線驅動程序）。在Windows2000操作系統下的驅動程序開發分為3個主要的領域：WDM驅動程序、文件系統驅動程序和小端口驅動程序，見圖1。其中小端口驅動程序針對的是顯示設備、SCSI和網絡設備等特定領域；文件系統驅動程序針對的是存儲設備；WDM驅動程序針對的則是計算機應用系統開發所面對的大多數情況。本文我們討論了WDM內核模式的驅動程序設計的一般問題，雖然其他類型驅動程序與WDM內核模式驅動程序開發有所不同，但只要掌握了WDM內核模式驅動程序開發的基礎，結合2種基本類型的本身特點，就能夠很快掌握設計方法。

1WDM的基本原理

WDM是一個模塊化的、分層次類型的微型驅動程序結構，層次結構如圖2所示，其中左邊是一個設備對象堆棧，右邊為驅動程序的分層結構。在WDM驅動程序模型中，每個硬件至少要包含功能驅動程序和總線驅動程序2個層。總線驅動程序為總線上發現的每個設備創建物理設備對象PDO，每個功能設備驅動程序創建自己的功能設備對象FDO。在驅動程序中不是直接操作硬件，而是操作相應的PDO與FDO。來自用戶模式API的I／O請求包（IRP）送到設備堆棧的最上層驅動程序，然后逐漸過濾到下層的驅動程序。每一層驅動程序都可以決定如何處理IRP。內核模式的WDM驅動程序有著可移植性、可配置性、基于對象、包驅動等共有的屬性。

用戶態程序和內核通過設備對象訪問設備驅動程序的設備。WDM驅動程序有2種方法提供

Win32程序可用的名稱，舊的方法是在驅動程序的設備創建時，通過函數IoCreate－SymbolicLink創建一個符號鏈接名，新的方法是使用128位的設備接口標識（GUID）。在驅動程序編寫中，該GUID可以通過Windows提供的guidgen．exe工具生成。

2WDM驅動程序的結構及設計

內核模式的驅動程序不同于常規的應用程序，可以把一個完整的驅動程序看作是一個容器，它包含許多例程，當操作系統遇到一個IRP時，它就調用這個容器中的例程來執行該IRP的各種操作。圖3表示了這一概念。在每一個WDM驅動程序中，都必須擁有DriverEntry、AddDevice、DispatchPnP、DispatchPower和DispatchWmi這5個例程，其他的例程則是可選的。需要對IRP排隊的驅動程序一般都有一個StartIo例程，執行DMA傳輸的驅動程序應有一個AdapterControl例程。大部分能生成硬件中斷的設備，其驅動程序都有一個中斷服務例程（ISR）和一個延遲過程調用（DpcForIsr）例程。驅動程序一般都有幾個支持不同類型IRP的分發例程。WDM驅動程序開發者的主要任務就是為如圖3所示的容器選擇，并完成所需要的例程。

當I／O管理器裝入驅動程序時，它調用每個驅動程序必須有的DriverEntry例程，以用來初始化驅動程序范圍的數據結構和資源。一般來說，在DriverEntry例程中通常完成以下功能：①找到所要控制的硬件；②在驅動程序對象中設置驅動程序的Dispatch－，AddDevice，Startio（如果有）和UN－LOAD（如果有）等分發例程的程序的入口點；③建立所有驅動程序對象或其他系統資源；④返回的NTSTATUS表明驅動程序是否成功裝入，并能接收和處理來自PnP管理器的配置、增加（AddDevice）及啟動其設備的請求。對于功能驅動程序，AddDevice函數的基本職責是創建一個設備對象并把它聯接到以PDO為底的設備堆棧中。分發（Dispatch）例程是設備驅動程序提供的主要函數。當被調用去執行一個I／O操作時，Windows2000通過實現Dispatch例程來處理來自用戶模式應用程序的請求或來自系統的其他地方的請求。

一個完整的驅動程序要完成以下工作：初始化；創建與刪除設備；處理應用層程序的打開和關閉句柄的請求；處理應用層程序的輸入／輸出請求；串行化對設備的訪問；訪問硬件；調用其他驅動程序；取消I／O請求；處理可熱插拔設備的加入和刪除事件；電源管理和WMI；對能夠產生中斷的設備進行中斷處理。

操作系統使用I／O請求包（IRP）的數據結構與內核模式驅動程序通信。IRP是一個內核對象，它是一個預先定義的數據結構，帶有一組對它進行操作的I／O管理器例程。I／O管理器接收一個I／O請求后分配并初始化一個IRP。一個IRP有一個固定的首部和可變數目的IRP堆棧單元塊，每個堆棧單元塊都對應一個將處理該IRP的驅動程序，因此這些堆棧塊至少應與驅動程序堆棧中將要處理這一請求的驅動程序數目一樣多。每個I／O請求有一個主功能代碼（IRP＿MJ＿XXX），并可能有次功能代碼（IRP＿MN＿XXX）。主功能代碼決定了該I／O請求調用的分發例程的驅動程序入口點。分發例程接收到I／O請求后進行如下處理：確認I／O請求的合法性；盡可能在分發例程中直接完成該I／O請求；如果該請求不能在驅動程序的分發例程中被處理完，驅動程序就把這個請求排進隊列，以便以后完成處理。WDM驅動程序提供了2種I／O請求排隊的方法：I／O管理器管理的系統排隊和驅動程序自己管理的驅動程序排隊。