Windows 2000

第ｌ４卷・第３期　重庆邮电学院学报　２００２年９月　！！！：！　．　ｏ：．３　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｓｅｐ．２００２　

Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００内核模式驱动程序设计　

李平，张云麟　（重庆邮电学院，重庆４０００６５）　

摘要：介绍了Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００驱动程序模型的基本结构、设计和开发的基本问题。并以ＰＣ［接口的ＡＴＭ　信令接口卡开发的驱动程序部分为例，简单介绍了驱动程序开发的方法和步骤．并介绍了驱动程序开发环　境的设置及编译方法。这种内核模式驱动程序设计的开发过程得到了简化，并降低了其复杂性。　关键词：Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００；驱动程序模型；ＡＴＭ信令接口　中图分类号：ＴＰ３ｌ１．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｆｏｒ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００　Ｄｒｉｖｅ　Ｐｒｏｇｒａｍ　Ｍｏｄｕｌｅ　ＩＡ　Ｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｕｎ—ｌｉｎ　（Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　，　ｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅ￣ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６５。Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００　ｄｒｉｖｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ－ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＷＤＭ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔａｋｉｎｇ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｄｒｉｖｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ＡＴＭ　ｓｉｇｎａｌｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｉｎ　ＰＣＩ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ａｕｔｈｏｒｓ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｓｔｅｐｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｂｕｇ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｒ　ｐｒｏｇｒａｍ．ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｐｒｏｇｒａｍ，ｔｈｅ　ｗａｙ　ｏｆ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００；ｄｒｉｖｅ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｍｏｄｕｌｅ；ＡＴＭ　ｓｉｇｎａｌｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　

０　引　言　设备驱动程序是直接同硬件打交道的软件模　块。在Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００中，微软公司在Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＮＴ　４．０的驱动程序结构基础上，同时引入了Ｗｉｎｄｏｗｓ　９Ｘ的即插即入特性，推出了新的驱动程序结构模式　（ＷＤＭ）。ＷＤＭ通过提供一种灵活的方式来简化驱　动程序的开发，在实现对新硬件支持的基础上减少　并降低所必须开发的驱动程序的数量和复杂性。在　Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００中的驱动程序可以分为２大类：用户　模式驱动程序和内核模式的驱动程序。用户模式驱　动程序是与子系统特定相关的，它包含了Ｗｉｎ３２多　媒体驱动程序、支持ＭＳ—ＤＯＳ应用程序的虚拟设备　驱动程序ＶＤＤ（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｄｒｉｖｅｒ）。内核模式　驱动程序有３种基本类型，每一种都有稍微不同的　结构和完全不同的功能，即最高层驱动程序（如文件　系统驱动程序（ＦＳＤ））、中间层驱动程序（例如虚拟　磁盘、镜像或设备类型特定的外围设备）、底层驱动　程序（例如ＰｎＰ硬件总线驱动程序）。在Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００操作系统下的驱动程序开发分为３个主要的　领域：ＷＤＭ驱动程序、文件系统驱动程序和小端口　驱动程序，见图１。其中小端口驱动程序针对的是显　示设备、ＳＣＳＩ和网络设备等特定领域；文件系统驱　动程序针对的是存储设备；ＷＤＭ驱动程序针对的　

收稿日期：２００２—０３—０６　基金项目：邮电部９８年重点科技基金资助项目（部９８０６５）　作者简介：李平（１９７２一），男．山东昌乐人，硕士研究生．研究方向为通信网与信令接口技术；张云麟・男，教授。　・３４・

　维普资讯 http://www.cqvip.com 李平．等：Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００内核模式驱动程序设计　则是计算机应用系统开发所面对的大多数情况。本　文我们讨论了ＷＤＭ内核模式的驱动程序设计的　一般问题，虽然其他类型驱动程序与ＷＤＭ内核模　式驱动程序开发有所不同，但只要掌握了ＷＤＭ内　核模式驱动程序开发的基础，结合２种基本类型的　本身特点，就能够很快掌握设计方法。　ｌ虚拟设备驱ｌ　Ｉ内核模式Ｉ　ｌ动程序（ＶＤＤ）Ｉ　Ｉ驱动程序｛　丽丽厂　厂　ｌ驱动程序Ｉ　Ｉ驱动程序ｌ　｝驱动程序ｌ　｛驱动程序；　厂——＿Ｌ］　；ＷＤＭ驱动程序ｌ　一［二＝—————　］　，　Ｉ类驱动程序｝　【微驱动程序｝图ｌ　Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００中的设备驱动程序种类　Ｆｉｇ．１　Ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｒｓ　ｉｎ　Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００　１　ＷＤＭ的基本原理　ＷＤＭ是一个模块化的、分层次类型的微型驱　动程序结构，层次结构如图２所示，其中左边是一个　设备对象堆栈，右边为驱动程序的分层结构。在　ＷＤＭ驱动程序模型中，每个硬件至少要包含功能　驱动程序和总线驱动程序２个层。总线驱动程序为　总线上发现的每个设备创建物理设备对象ＰＤＯ，每　个功能设备驱动程序创建自己的功能设备对象　ＦＤＯ。在驱动程序中不是直接操作硬件，而是操作　相应的ＰＤＯ与ＦＤ（）。来自用户模式ＡＰＩ的Ｉ／Ｏ请　

图２　ｗＤＭ中设备对象和驱动程序的层次结构　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｌａｙｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｄｅｖｉｃｅ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ａｎｄ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｌｌｋ￣ｉｌｌ　ＷＤＭ　求包（ＩＲＰ）送到设备堆栈的最上层驱动程序，然后　逐渐过滤到下层的驱动程序。每一层驱动程序都可　以决定如何处理ＩＲＰ。内核模式的ＷＤＭ驱动程序　有着可移植性、可配置性、基于对象、包驱动等共有　的属性。　用户态程序和内核通过设备对象访问设备驱动　程序的设备。ＷＤＭ驱动程序有２种方法提供　Ｗｉｎ３２程序可用的名称，旧的方法是在驱动程序的　设备创建时，通过函数ＩｏＣｒｅａｔｅ—ＳｙｍｂｏｌｉｃＩ　ｉｎｋ创建　一个符号链接名，新的方法是使用１２８位的设备接　口标识（ＧＵＩＤ）。在驱动程序编写中，该ＧＵＩＤ可以　通过Ｗｉｎｄｏｗｓ提供的ｇｕｉｄｇｅｎ．ｅｘｅ工具生成。　２　ＷＤＭ驱动程序的结构及设计　内核模式的驱动程序不同于常规的应用程序，　可以把一个完整的驱动程序看作是一个容器，它包　含许多例程，当操作系统遇到一个ＩＲＰ时，它就调　用这个容器中的例程来执行该ＩＲＰ的各种操作。图　３表示了这一概念。在每一个ＷＤＭ驱动程序中，都　必须拥有ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ、ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ、ＤｉｓｐａｔｃｈＰｎＰ、　ＤｉｓｐａｔｃｈＰｏｗｅｒ和ＤｉｓｐａｔｃｈＷｍｉ这５个例程，其他　的例程则是可选的。需要对ＩＲＰ排队的驱动程序一　般都有一个ＳｔａｒｔＩｏ例程，执行ＤＭＡ传输的驱动程　序应有一个ＡｄａｐｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌ例程。大部分能生成硬　件中断的设备，其驱动程序都有一个中断服务例程　（ＩＳＲ）和一个延迟过程调用（ＤｐｃＦｏｒＩｓｒ）例程。驱动　程序一般都有几个支持不同类型ＩＲＰ的分发例程。　ＷＤＭ驱动程序开发者的主要任务就是为如图３所　示的容器选择，并完成所需要的例程。　基本驱动铡程　Ｉ／Ｏ控制倒程　派遣例程　ｌ　ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ『　［１ｌ　ｔ】　．一　Ｉ　丽　Ｌ————————＿＿Ｊ卜■０　■■　÷—■　壁　Ｊ　羼　莓　Ｌ　Ｊ　ＤｉｓｐａｔｅｈＰｎｐ　ＤｉｓｐａｔｅｈＰｏｗｅｒ　ＤｉｓｐａｔｃｈＷｍｉ　—Ｉ）ｉＳ　曲Ｒｅ硝　一　．　ｐ∞　ｈＷ　口必须的驱动程序例裎口赴理请求队　需要包含ｓｔａｒｔＩｏ例程　口设备产生中断需要调用中断处理及延迟过程调用例程　口ＤＭＡ设备需要包含Ａｄａｐｔｅｒ（３ｏｎｔｒｏｌ　程　口可选的ＩＲＩ’分发例程（ＤｉｓｐａｔｃｈＲｅａｄ，ＤｉｓｐａｔｃｈＷｒｉｔｅ等）　图３　ｗＤＭ驱动程序容器及内容　Ｆｉｇ．３　Ｄｒｉｖｉｎｇ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｃｏｎｔａｉｎｅｒ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ＷＤＭ　当Ｉ／Ｏ管理器装入驱动程序时，它调用每个驱　动程序必须有的ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程，以用来初始化　驱动程序范围的数据结构和资源。一般来说，在　ＤｒｉｖｅｒＥｎｔｒｙ例程中通常完成以下功能：①找到所　要控制的硬件；②在驱动程序对象中设置驱动程序　的Ｄｉｓｐａｔｃｈ一，ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ，Ｓｌａｒｔｉｏ（如果有）和ＵＮ—　Ｉ　ＯＡＤ（如果有）等分发例程的程序的人口点；⑧建　立所有驱动程序对象或其他系统资源；④返回的　・３５・

　维普资讯 http://www.cqvip.com ２００２年第３期　重庆邮电学院学报　ＣＵＰＴ　ＮＴＳＴＡＴＵＳ表明驱动程序是否成功装入，并能接　收和处理来自ＰｎＰ管理器的配置、增加　（ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ）及启动其设备的请求。对于功能驱动　程序，ＡｄｄＤｅｖｉｃｅ函数的基本职责是创建一个设备　对象并把它联接到以ＰＤＯ为底的设备堆栈中。分发　（Ｄｉｓｐａｔｃｈ）例程是设备驱动程序提供的主要函数。　当被调用去执行一个Ｉ／０操作时，Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００　通过实现Ｄｉｓｐａｔｃｈ例程来处理来自用户模式应用　程序的请求或来自系统的其他地方的请求。　一个完整的驱动程序要完成以下工作：初始化；　创建与删除设备；处理应用层程序的打开和关闭句　柄的请求；处理应用层程序的输入／输出请求；串行　化对设备的访问；访问硬件；调用其他驱动程序；取　消Ｉ／Ｏ请求；处理可热插拔设备的加入和删除事　件；电源管理和ＷＭＩ；对能够产生中断的设备进行　中断处理。　操作系统使用Ｉ／Ｏ请求包（ＩＲＰ）的数据结构与　内核模式驱动程序通信。ＩＲＰ是一个内核对象，它是　一个预先定义的数据结构，带有一组对它进行操作　的Ｉ／Ｏ管理器例程。Ｉ／Ｏ管理器接收一个Ｉ／Ｏ请求　后分配并初始化一个ＩＲＰ。一个ＩＲＰ有一个固定的　首部和可变数目的ＩＲＰ堆栈单元块，每个堆栈单元　块都对应一个将处理该ＩＲＰ的驱动程序，因此这些　堆栈块至少应与驱动程序堆栈中将要处理这一请求　的驱动程序数目一样多。每个Ｉ／Ｏ请求有一个主功　能代码（ＩＲＰ—ＭＪ—ＸＸＸ），并可能有次功能代码　（ＩＲＰ—ＭＮ—ＸＸＸ）。主功能代码决定了该Ｉ／Ｏ请求　调用的分发例程的驱动程序入口点。分发例程接收　到Ｉ／Ｏ请求后进行如下处理：确认Ｉ／Ｏ请求的合法　性；尽可能在分发例程中直接完成该Ｉ／Ｏ请求；如　果该请求不能在驱动程序的分发例程中被处理完，　驱动程序就把这个请求排进队列，以便以后完成处　理。ＷＤＭ驱动程序提供了２种Ｉ／Ｏ请求排队的方　法：Ｉ／Ｏ管理器管理的系统排队和驱动程序自己管　理的驱动程序排队。　在Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００和Ｗｉｎｄｏｗｓ　９８中，通过使用　总线驱动程序，ＰｎＰ管理器能够自动检测硬件和分　配Ｉ／Ｏ资源。在ＷＤＭ驱动程序中ＰｎＰ管理器使用　主功能代码为ＩＲＰ—ＭＪ—ＰＮＰ的Ｉ／０请求包与设备　驱动程序交换信息和请求，完成对硬件设备的检测　・３６・　和配置工作。ＰｎＰ请求包完成２种功能：指示驱动程　序何时又如何配置和取消硬件及驱动程序本身的设　置；指导驱动程序完成一系列的状态转换。ＰｎＰ请　求可以包含二十多个次功能代码，部分功能代码（如　ＩＲＰ—ＲＥＡＤ—ＣＯＮＦＩＧ，ＩＲＰ—ＭＮ—ＱＵＥＲＹ—ＲＥ—　ＳＯＵＲＣＥ—ＲＥＱＵＩＲＥＭＥＮＴＳ等）只能由总线驱动　程序处理，功能驱动程序和过滤驱动程序只是将该　ＩＲＰ请求下传到总线驱动程序。对功能驱动程序和　过滤驱动程序中比较重要的ＩＲＰ—ＭＮ—ＳＴＡＲＴ—　ＤＥＶＩＣＥ用来通知功能驱动程序其硬件被赋予了　什么的Ｉ／Ｏ资源，以及指导功能驱动程序做任何必　要的硬件或软件设置，以便设备能正常工作。ＩＲＰ—　ＭＮ—ＲＥＭＯＶＥ—ＤＥＶＩＣＥ告诉功能驱动程序关闭　设备并释放与之关联的设备对象。　驱动程序的ＩＳＲ和ＤｐｃＦｏｒｌｓｒ在设备产生中断　时共同向设备提供服务。当设备产生中断时，驱动程　序的ＩＳＲ将被调用，ＩＳＲ通过询问设备硬件收集有　关的硬件设备信息，并尽可能地处理，如果不可能完　全处理该中断请求，就将中断信息传递给Ｄｐｃ—　ＦｏｒＩｓｒ进行处理。ＩＳＲ是运行在ＤＩＲＱＩ　中断请求级　的，在运行时，会阻止在同一处理器上的所有设备发　出的具有更低的ＤＩＲＱＬ的中断，因此在驱动程序　的编写时，ＩＳＲ应尽可能快地返回控制。另外，ＩＳＲ　可以与驱动程序的其它部分共享数据和硬件资源，　因此需要注意同步问题的处理。　３　ＷＤＭ驱动程序开发环境及编译　Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００下编写驱动程序的环境被称为　ＤＤＫ　Ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ　Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００或Ｗｉｎｄｏｗｓ　２０００　ＤＤＫ，ＤＤＫ是一个命令行下的工作环境。在安　装ＤＤＫ前需要先安装Ｍｉｃｒｏ—ｓｏｆｔ　Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋和　Ｗｉｎ３２　ＳＤＫ（可选）。对驱动程序的编译可以通过设　置Ｖｃ＋＋的项目设置，在Ｖｃ＋＋中直接编译驱动　程序，但改变设置的工作较繁且易出错，因此ＤＤＫ　ｂｕｉｌｄ．ｅｘｅ编译联接器是构造驱动程序的主要工具。　它从配置文件Ｓｏｕｒｃｅｓ中读出待编译的程序的配　置，包括源文件、目标文件等，从环境变量Ｉｎｃｌｕｄｅ　中得到引用文件的地址，然后调用Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋的　编译联接器Ｎｍａｋｅ．ｅｘｅ进行实际的编译联接工作。