ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ４．０下设备驱动程序的开发与应用

摘要： 介绍了Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ４．０内核模式设备驱动程序开发中的一般性过程。通过提供一个最小化驱动程序的核心代码，解释各组成部分的结构功能和使用方法。在实践中，结合自身的开发需要，可编写出具有实用价值的驱动程序。

关键词：Ｗｉｎ３２子系统 设备驱动 系统注册表 Ｉ／Ｏ请求包

Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ 以其安全、稳定及界面友好等特性逐渐成为工业控制领域的前台操作系统。面对工业控制中大量采用的串／并行通信及总线控制等技术，要求用户不断开发出满足自身需要的硬件设备，同时又要求用户应用程序与这些硬件设备进行通信，发送控制命令，读取状态信息等等。Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ出于安全性、稳定性等考虑，不允许用户应用程序对物理硬件进行直接访问，这就需要使用设备驱动程序跨越操作系统边界对物理硬件进行操作，并向上提供客户应用程序控制接口以供调用。

１ 分层结构与设备驱动程序

Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ分层结构（如图１所示）包括运行于用户模式及内核模式的各种部件，设备驱动程序在图１的左下角，处于内核模式下Ｉ／Ｏ管理器之中。

２ 驱动程序工作方式

内核模式驱动程序与应用程序之间的最大差别之一是驱动程序的控制结构。内核模式驱动程序没有ｍａｉｎ或ＷｉｎＭａｉｎ，而是由Ｉ／Ｏ管理器根据需要调用一个驱动程序例程：

· 驱动程序被装入时；

· 驱动程序被卸出或系统关闭时；

· 用户程序发出Ｉ／Ｏ系统服务调用时；

· 共享硬件资源对驱动程序可用时；

· 设备操作过程中的任何时候。

３ 初始化过程

３．１ 系统注册表中有关设备驱动程序的项目是系统加载设备驱动程序的入口点

系统注册表中用于系统加载设备驱动程序的项目如下：

[ＨＫＥＹ＿ＬＯＣＡＬ＿ＭＡＣＨＩＮＥ＼ＳＹＳＴＥＭ＼ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｅｔ＼Ｓｅｒｖｉｃｅｓ＼ＤｒｉｖｅｒＮａｍｅ]

″Ｔｙｐｅ″ ＝ ｄｗｏｒｄ０００００００１

″Ｓｔａｒｔ″ ＝ ｄｗｏｒｄ０００００００２

″Ｇｒｏｕｐ″ ＝ ″Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｂａｓｅ″

″ＥｒｒｏｒＣｏｎｔｒｏｌ″ ＝ ｄｗｏｒｄ∶０００００００１

其中Ｓｔａｒｔ含义如下：

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＢＯＯＴ＿ＳＴＡＲＴ （０×０） 操作系统装入时

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＳＹＳＴＥＭ＿ＳＴＡＲＴ （０×０１） 操作系统初始化时

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＡＵＴＯ＿ＳＴＡＲＴ （０×０２） 服务控制管理器启动时

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＤＥＭＡＮＤ＿ＳＴＡＲＴ （０×０３） 服务控制管理器手工启动

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＤＩＳＡＢＬＥＤ （０×０４） 不启动

Ｔｙｐｅ含义如下：

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＫＥＲＮＥＬ＿ＤＲＩＶＥＲ （０×１）

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＦＩＬＥ＿ＳＹＳＴＥＭ＿ＤＲＩＶＥＲ （０×２）

ＳＥＲＶＩＣＥ＿ＡＤＡＰＴＥＲ （０×４）

系统注册表中用于设备驱动程序加载后读取的项目如下：

[ＨＫＥＹ＿ＬＯＣＡＬ＿ＭＡＣＨＩＮＥ＼ＳＹＳＴＥＭ＼ＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｅｔ＼Ｓｅｒｖｉｃｅｓ＼ＤｒｉｖｅｒＮａｍｅ＼Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ]

″Ｐａｒａｍｅｔｅｒ１″ ＝ ｄｗｏｒｄ∶０００００００１

″Ｐａｒａｍｅｔｅｒ２″ ＝ ｄｗｏｒｄ∶０００００００４

３．２ 加载驱动程序的装入例程

Ｉ／Ｏ管理器调用驱动程序的ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程，执行初始化。该例程完成：

· 初始化其它例程的入口；

· 创建命名设备对象；

· 读取系统注册表中相关项目并声明必要的资源；

· 设置内核驱动程序名与Ｗｉｎ３２子系统名的联接；

· 创建或初始化任意驱动程序使用的对象、类型和资源；

· 返回状态值。

Ｉ／Ｏ管理器建立与设备关联的Ｄｒｉｖｅｒ对象，并将其传递给ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程。实际上Ｄｒｉｖｅｒ对象基本上是一个目录，含有指向各个驱动程序服务例程函数的指针，其结构如表１所示。

表1 Driver对象

Ｉ／Ｏ管理器能够找到ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程，是因为它有一个公认的名字，而其他的例程则通过下列两种方法查找：

·在Ｄｒｉｖｅｒ对象中有明确槽的函数如ＤｉｒｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＤｒｉｖｅｒＵｎｌｏａｄ；

·在Ｄｒｉｖｅｒ对象的ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ数组中——Ｄｒｉｖｅｒ对象的ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ支持两种类型的功能代码。一种为标准的功能代码，如ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ。另一种是用户自定义的功能代码，如ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ。

所有驱动程序必须支持ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ功能代码，这是因为Ｗｉｎ３２子系统下的用户程序调用ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ函数创建设备时，产生该功能代码。如果不处理这个功能代码，Ｗｉｎ３２程序就不能得到设备句柄。

用户自定义的功能代码ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ只有在用户模式下的客户程序执行自定义的功能时可用。

ＮＴＳＴＡＴＵＳ ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ（ＩＮ ＰＤＲＩＶＥＲ＿ＯＢＪＥＣＴ ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ，ＩＮ ＰＵＮＩＣＯＤＥ＿ＳＴＲＩＮＧ ＲｅｇｉｓｔｒｙＰａｔｈ）

｛

／／声明设备对象

ＰＤＥＶＩＣＥ＿ＯＢＪＥＣＴ ＤｅｖｉｃｅＯｂｊｅｃｔ，

／／生成函数接口指针

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ［ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ］＝ＸｘＳｅｌｆＤｉｓｐａｔｃｈ；

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ［ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＬＯＳＥ］＝
ＸｘＳｅｌｆＤｉｓｐａｔｃｈ；

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ［ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＲＥＡＤ］＝
ＸｘＲｅａｄＤｉｓｐａｔｃｈ；

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ［ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＷＲＩＴＥ］＝
ＸｘＷｒｉｔｅＤｉｓｐａｔｃｈ

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ［ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ］＝ＸｘＳｅｌｆＤｉｓｐａｔｃｈ

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞ＤｒｉｖｅｒＵｎｌｏａｄ＝ＸｘＵｎｌｏａｄ

／／生成Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ Ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ知道的设备名

ＲｔｌＩｎｉｔＵｎｉｃｏｄｅＳｔｒｉｎｇ（＆ＮｔＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ， ＳｅｌｆＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ）；

／／生成自己的设备

Ｓｔａｔｕｓ＝ＩｏＣｒｅａｔｅＤｅｖｉｃｅ（

ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ， ／／ Ｄｒｉｖｅｒ对象

ｓｉｚｅｏｆ（ＳＥＬＦ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＩＮＦＯ）， ／／ Ｄｅｖｉｃｅ对象

Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ结构大小

＆ＮｔＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ，

ＤｅｖｉｃｅＴｙｐｅ，

０，

ＦＡＬＳＥ， ／／ 不执行

＆ＤｅｖｉｃｅＯｂｊｅｃｔ ／／Ｄｅｖｉｃｅ对象指针

）；
 ／／生成Ｗｉｎ３２子系统下的用户程序可识别的设备名

ＲｔｌＩｎｉｔＵｎｉｃｏｄｅＳｔｒｉｎｇ（＆Ｗｉｎ３２ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ， ＳｅｌｆＷｉｎ３２Ｎａｍｅ）；

／／联接内部设备名与Ｗｉｎ３２子系统下的设备名

Ｓｔａｔｕｓ ＝ ＩｏＣｒｅａｔｅＳｙｍｂｏｌｉｃＬｉｎｋ（ ＆Ｗｉｎ３２ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ， ＆ＮｔＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ）；

／／利用ＲｔｌＱｕｅｒｙＲｅｇｉｓｔｒｙＶａｌｕｅｓ函数读出注册表中Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ下的参数值，初始化自己的硬件

．．．

｝

４ 驱动程序服务例程

驱动程序初始化之后，始终等待发自用户的命令或由其它事件源引起的事件。一旦命令或事件发生，Ｉ／Ｏ管理器就调用相应的服务例程提供服务。而几乎所有的Ｉ／Ｏ都是通过Ｉ／Ｏ请求包ＩＲＰ驱动的。所谓ＩＲＰ驱动，就是Ｉ／Ｏ管理器负责在非分页的系统内存中分配一定空间，当接受用户发出的命令或由事件引发后，将工作指令按一定的数据结构置于其中，传递到驱动程序服务例程。换言之，ＩＲＰ包含了驱动程序服务例程所需要的信息指令。表２、表３为ＩＲＰ的一些数据结构。

同时，Ｉ／Ｏ管理器和驱动程序都需要在所有时候知道一个Ｉ／Ｏ设备所进行的情况。系统提供Ｄｅｖｉｃｅ对象以满足此要求。该对象在ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程中生成设备时由系统创建后，分配给驱动程序，并在整个驱动程序生存期内有效。当Ｉ／Ｏ管理器调用驱动程序服务例程时，传递该对象。表４为Ｄｅｖｉｃｅ对象的外部可见域。

表2 IRP标头中外部可见的域

表3 IRP堆栈单元的一些内容

表4 Device 对象的外部可见域

其中，ＤｅｖｉｃｅＥｘｔｅｎｓｉｏｎ域是一个重要的数据结构。它是由Ｉ／Ｏ管理器创建并自动挂接到Ｄｅｖｉｃｅ对象的非分页池，是保存驱动程序任意全局变量的最好办法。因为ＤｅｖｉｃｅＥｘｔｅｎｓｉｏｎ是驱动程序特定的，要自定义它的数据结构。

下面是一个驱动程序服务例程利用Ｄｅｖｉｃｅ对象和ＩＲＰ的片段：

ＮＴＳＴＡＴＵＳ ＸｘＳｅｌｆＤｉｓｐａｔｃｈ（ＩＮ ＰＤＥＶＩＣＥ＿ＯＢＪＥＣＴ ｐＤＯ ＩＮ ＰＩＲＰ ｐＩｒｐ）；

｛

ＰＬＯＣＡＬ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＩＮＦＯ ｐＬＤＩ；

ＰＩＯ＿ＳＴＡＣＫ＿ＬＯＣＡＴＩＯＮ ｐＩｒｐＳｔａｃｋ；

ＰＵＬＯＮＧ ｐＩＯＢｕｆｆｅｒ；

／／得到全局信息

ｐＬＤＩ ＝ （ＰＳＥＬＦ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＩＮＦＯ）ｐＤＯ－＞ＤｅｖｉｃｅＥｘｔｅｎｓｉｏｎ；

ｐＩｒｐＳｔａｃｋ ＝ ＩｏＧｅｔＣｕｒｒｅｎｔＩｒｐＳｔａｃｋＬｏｃａｔｉｏｎ（ｐＩｒｐ）；

／／得到由用户应用程序发来的用户数据，并在需要时，将结果通过此变量返回给用户

ｐＩＯＢｕｆｆｅｒ＝ＰＵＬＯＮＧｐＩｒｐ－＞ＡｓｓｏｃｉａｔｅｄＩｒｐ．Ｓｙｓｔｅｍ

Ｂｕｆｆｅｒ；

／／ 由ＩＲＰ携带的信息决定驱动程序的执行

ｓｗｉｔｃｈ （ｐＩｒｐＳｔａｃｋ－＞ＭａｊｏｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）

｛

ｃａｓｅ ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ：

ｃａｓｅ ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＬＯＳＥ：

Ｓｔａｔｕｓ ＝ ＳＴＡＴＵＳ＿ＳＵＣＣＥＳＳ；

ｂｒｅａｋ；

ｃａｓｅ ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ：

／／由Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ进一步解释控制代码含义

ｓｗｉｔｃｈ （ｐＩｒｐＳｔａｃｋ－＞Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ．ＩｏＣｏｎｔｒｏｌＣｏｄｅ）

｛

ｃａｓｅ ＩＯＣＴＬ＿Ｆｕｎｃｔｉｏｎ１：

／／执行功能代码

Ｆｉｅｌｄ１ ＝ ｐＬＤＩ－＞ＳｅｌｆＦｉｅｌｄ１；

．．．

ｂｒｅａｋ；

ｃａｓｅ ＩＯＣＴＬ＿Ｆｕｎｃｔｉｏｎ２：

／／执行功能代码

．．．

ｂｒｅａｋ；

｝

ｂｒｅａｋ

｝

／／ 返回Ｉ／Ｏ操作的状态

ｐＩｒｐ－＞ＩｏＳｔａｔｕｓ．Ｓｔａｔｕｓ ＝ Ｓｔａｔｕｓ；

ＩｏＣｏｍｐｌｅｔｅＲｅｑｕｅｓｔ（ｐＩｒｐ ＩＯ＿ＮＯ＿ＩＮＣＲＥＭＥＮＴ）； 

ｒｅｔｕｒｎ Ｓｔａｔｕｓ；

｝

５ 驱动程序终止例程

Ｕｎｌｏａｄ例程负责取消由ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程所做的任何事情，包括解除属于该驱动程序的任何硬件资源的分配，以及删除属于驱动程序的任何内核对象。通常这仅在系统关闭时需要。

ＶＯＩＤ ＸｘＵｎｌｏａｄ（ＰＤＲＩＶＥＲ＿ＯＢＪＥＣＴ ＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ）

｛

ＰＬＯＣＡＬ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＩＮＦＯ ｐＬＤＩ；

ＵＮＩＣＯＤＥ＿ＳＴＲＩＮＧ Ｗｉｎ３２ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ；

／／ 得到全局数据，根据全局数据进行清理工作

ｐＬＤＩ＝ＰＬＯＣＡＬ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＩＮＦＯＤｒｉｖｅｒＯｂｊｅｃｔ－＞Ｄｅｖｉｃｅ

Ｏｂｊｅｃｔ－＞ＤｅｖｉｃｅＥｘｔｅｎｓｉｏｎ

ｉｆ （ｐＬＤＩ－＞Ｆｉｅｌｄ２ ＝＝ ＴＲＵＥ）

｛
．．．

／／ 删除分配的设备名及设备

ＲｔｌＩｎｉｔＵｎｉｃｏｄｅＳｔｒｉｎｇ（＆Ｗｉｎ３２ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ， ＳｅｌｆＷｉｎ３2 Ｎａｍｅ）；

ＩｏＤｅｌｅｔｅＳｙｍｂｏｌｉｃＬｉｎｋ（＆Ｗｉｎ３２ＤｅｖｉｃｅＮａｍｅ）；

ＩｏＤｅｌｅｔｅＤｅｖｉｃｅ（ｐＬＤＩ－＞ＤｅｖｉｃｅＯｂｊｅｃｔ）；

｝

６ 用户层应用程序与驱动程序间的接口

驱动程序完成后，将在系统重新引导时装入并初始化（由ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程完成）。此时，驱动程序处于可用状态，等待用户层应用程序使用。用户层应用程序可以：

·打开该设备文件（由ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ功能代码完成）

·读出数据（由ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＲＥＡＤ功能代码完成）

·写入数据（由ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＷＲＩＴＥ功能代码完成）

·执行用户自定义的功能代码（由ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＣＯＮＴＲＯＬ功能代码完成）

·关闭该设备文件（由ＩＲＰ＿ＭＪ＿ＣＬＯＳＥ功能代码完成）

以下是部分实现代码：

ｖｏｉｄ ｍａｉｎ（）

｛

ＨＡＮＤＬＥ ｈｎｄＦｉｌｅ； ／／ 由ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ得到

ｕｎｉｏｎ ｛

ＵＬＯＮＧ ＬｏｎｇＤａｔａ；

ＵＳＨＯＲＴ ＳｈｏｒｔＤａｔａ；

ＵＣＨＡＲ ＣｈａｒＤａｔａ；

 ｝ＤａｔａＢｕｆｆｅｒ； ／／从设备驱动程序中得到的数据

ＬＯＮＧ ＩｏｃｔｌＣｏｄｅ； ／／功能代码

ＵＬＯＮＧ ＤａｔａＬｅｎｇｔｈ；

ＬＯＮＧ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ１；

／／调用ＩＲＰ中的ＩＲＰ ＿ＭＪ＿ＣＲＥＡＴＥ功能

ｈｎｄＦｉｌｅ ＝ ＣｒｅａｔｅＦｉｌｅ（

″＼＼＼＼．＼＼ＳｅｌｆＷｉｎ３２Ｎａｍｅ″， ／／ 打开设备文件″ ＳｅｌｆＷｉｎ３２Ｎａｍｅ″

ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＲＥＡＤ ｜ ＧＥＮＥＲＩＣ＿ＷＲＩＴＥ，

ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＲＥＡＤ ｜ ＦＩＬＥ＿ＳＨＡＲＥ＿ＷＲＩＴＥ，

ＮＵＬＬ，

ＯＰＥＮ＿ＥＸＩＳＴＩＮＧ，

０，

ＮＵＬＬ

ｉｆ （ｈｎｄＦｉｌｅ ＝＝ ＩＮＶＡＬＩＤ＿ＨＡＮＤＬＥ＿ＶＡＬＵＥ）

｛

ｐｒｉｎｔｆ（″Ｕｎａｂｌｅ ｔｏ ｏｐｅｎ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ．＼ｎ″）；

ｅｘｉｔ（１）；

｝

ＩｏｃｔｌＣｏｄｅ ＝ ＩＯＣＴＬ＿Ｆｕｎｃｔｉｏｎ１； ／／自定义功能代码

Ｐａｒａｍｅｔｅｒ１ ＝ １；

ＤａｔａＬｅｎｇｔｈ ＝ ｓｉｚｅｏｆ（ＤａｔａＢｕｆｆｅｒ．ＣｈａｒＤａｔａ）；

ＩｏｃｔｌＲｅｓｕｌｔ ＝ ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ（

ｈｎｄＦｉｌｅ ／／设备文件句柄

ＩｏｃｔｌＣｏｄｅ／／功能代码，对应ＩＲＰ中的Ｐａｒａｍｅｔｅｒ．

／／ＤｅｖｉｃｅＩｏＣｏｎｔｒｏｌ．ＩｏＣｏｎｔｒｏｌＣｏｄｅ域

＆Ｐａｒａｍｅｔｅｒ１，／／传递到驱动程序的参数缓冲区，对应

／／ＩＲＰ中的ＡｓｓｏｃｉａｔｅｄＩｒｐ．ＳｙｓｔｅｍＢｕｆｆｅｒ

ｓｉｚｅｏｆ（Ｐａｒａｍｅｔｅｒ１） ／／参数缓冲区长度

＆ＤａｔａＢｕｆｆｅｒ， ／／从驱动程序传出的数据缓冲区

ＤａｔａＬｅｎｇｔｈ， ／／缓冲区长度

＆ＲｅｔｕｒｎｅｄＬｅｎｇｔｈ， ／／返回的实际缓冲区长度

ＮＵＬＬ ／／等待，直到操作完成

）；

ｉｆ（！ＣｌｏｓｅＨａｎｄｌｅｈｎｄＦｉｌｅ）） ／／关闭设备

｛

ｐｒｉｎｔｆ（″Ｆａｉｌｅｄ ｔｏ ｃｌｏｓｅ ｄｅｖｉｃｅ．＼ｎ″）；
｝

｝
以上介绍了Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ４．０设备驱动程序开发中的一般性过程。用户可利用ＮＴ ＳＤＫ 及ＤＤＫ开发工具包，并根据自身需要，对以上核心代码进行扩充完成所需任务。