Windows磁盘驱动基础教程
1.磁盘驱动基础
不少人把文件系统驱动和磁盘驱动混为一谈。实际上文件系统驱动应该与磁盘驱动是两类不同的驱动程序。文件系统仅仅考虑数据在存储设备上的保存格式（而不考虑具体是什么存储设备），而磁盘是存储设备的一种。
在存储设备驱动(storage driver)中，与实际的硬件设备打交道的驱动称为微端口（miniport）驱动，而更上层的驱动称为类驱动（class driver）。这里说的磁盘驱动（disk driver）是一个类驱动。类驱动具体功能通过下层的微端口驱动实现。而自己则抽象出一类设备（如磁盘），供文件系统驱动调用。这样，文件系统就不用自己去和硬件细节打交道了，在它看来所有的磁盘都是一个磁盘设备。这就是类驱动存在的意义。
如果认为微端口驱动都是硬件驱动的话，则类驱动是硬件驱动之上的软件驱动。
要学习磁盘驱动的编写，可以参考WINDDK\src\storage\class\disk,这是一个SCSI磁盘类驱动（SCSI disk class driver）的例子。但是这个例子的实现细节过于烦琐。为此我在网上找到一个文件虚拟磁盘（FileDisk）的例子，用这个来说明磁盘驱动的编写方法。你可以在网上下载它。
磁盘驱动找到物理媒质的时候，生成磁盘设备对象。但是要注意磁盘设备对象与卷（volume）设备对象（volume device driver）的区别。一个磁盘设备对象对应一个物理的磁盘。而卷，则是文件系统驱动找到磁盘设备之后，挂载形成的一种新设备。这种设备可以进行很多操作，比如生成文件，删除文件，修改文件等，这些是与文件系统相关的操作。而磁盘设备对象则没有这些操作。因为磁盘并不知道有文件系统，所以仅仅能进行读，写，获取一些磁盘信息等操作。比文件系统操作简单得多。
每当你生成一个磁盘驱动对象，系统中就出现一个新的磁盘。是否出现在windows的我的电脑之中，还需要涉及到一些其他信息的返回。但是你确实可以随时生成新的磁盘，无论具体的硬件是否存在。在内核代码中，你可以使用IoCreateDevice来生成一个磁盘设备。
XP版本的ifs下的例子disk使用IoCreateDisk来生成一个磁盘。似乎这个函数的使用更加简便。而FileDisk的例子，使用IoCreateDevice，可能这个例子开发比较早，或者是为了兼容2000ddk.
驱动的入口是DriverEntry,你可以首先编写这个函数。你可以在这里生成磁盘设备对象.设备对象都是有名字的。首先你必须确定它们的名字。FileDisk在DriverEntry中生成了一连串设备，这些设备的名字如下:
"\\Device\\FileDisk0"
"\\Device\\FileDisk1"
"\\Device\\FileDisk2"
"\\Device\\FileDisk3"
"\\Device\\FileDisk4"
... 依次类推。
需要多少个磁盘设备对象和你的需要有关，这个数字事先已经保存在注册表中。对你的简单代码来说，只要：
NTSTATUS
DriverEntry (
IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
IN PUNICODE_STRING RegistryPath
)
{
PDEVICE_OBJECT device_object;
UNICODE_STRING device_name;
RtlInitUnicodeString(&device_name,L"\\Device\\FileDisk");
status = IoCreateDevice(
DriverObject,
0, //sizeof(DEVICE_EXTENSION),这里是设备扩展的大小空间
&device_name,
FILE_DEVICE_DISK,
0,
FALSE,
&device_object);
return status;
}
建议打开ddk帮助看看IoCreateDevice的参数说明。FILE_DEVICE_DISK是ddk中定义的一种设备类型。现在磁盘设备对象已经生成了，只要加载这个驱动，系统将知道增加一个磁盘。不过还有以下的一些问题:
（1）当设备目录"\\Device"不存在的时候，你的创建会失败。所以应该先创建这个目录，使用ZwCreateDirectoryObject即可。
（2）你确实创建了一个磁盘设备对象。但是你没有为你的驱动指定分发例程。当windows对这个磁盘有所请求（比如获取磁盘的信息，读写这个磁盘等），你的分发例程会被调用。此时没有写分发例程，因此windows也无法得到这个磁盘的信息，因而它不会起作用。
（3）你必然要在磁盘设备对象上保留一些私人信息，因此不能把设备扩展大小设置为0。你应该定义设备扩展的数据结构。当然这要看你的需要了。
（4）你还需要设置一些设备标志。
* * *
2 分发例程和设备扩展
应该给你的驱动指定分发例程。这样你的磁盘设备生成之后，windows会发给你请求，来读取你的磁盘的信息。而这些请求（irp）就会发到你的分发例程中。
分发例程是一组用来处理不同请求的函数。
NTSTATUS
DriverEntry (
IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
IN PUNICODE_STRING RegistryPath
)
{
... // 前面生成设备对象...
// 设置分发例程。请注意仅仅需要5个，比文件系统少多了。
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = FileDiskCreateClose;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = FileDiskCreateClose;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = FileDiskReadWrite;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = FileDiskReadWrite;
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = FileDiskDeviceControl;
// 卸载例程。
DriverObject->DriverUnload = FileDiskUnload;
return status;
}
下面的任务你要自己编写FileDiskCreateClose, FileDiskReadWrite, FileDiskDeviceControl这三个函数。
请注意所有的分发例程的结构都是如此：
NTSTATUS
DispatchFunction(
IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
IN PIRP Irp
);
DeviceObject是接受请求的设备对象指针，应该是由你的驱动生成的，所以才会发到你的驱动的分发例程。Irp是请求包指针。里边含有请求相关的信息。最后返回执行的结果（成功或者错误代码）。
从FileDisk看来，分发例程比文件系统驱动要简单得多。DriverObject->DriverUnload是一个特殊的例程，在windows卸载你的驱动的时候被调用。你可以在其中删除设备，关闭打开的文件等等。
FileDisk定义了一个设备扩展。这个设备扩展被记录在设备对象中，你随时可以通过DeviceObject->DeviceExtension得到它。它的内容如下:
typedef struct _DEVICE_EXTENSION {
BOOLEAN media_in_device;
HANDLE file_handle;
FILE_STANDARD_INFORMATION file_information;
BOOLEAN read_only;
PSECURITY_CLIENT_CONTEXT security_client_context;
LIST_ENTRY list_head;
KSPIN_LOCK list_lock;
KEVENT request_event;
PVOID thread_pointer;
BOOLEAN terminate_thread;
} DEVICE_EXTENSION, *PDEVICE_EXTENSION;
media_in_device是指这个设备是否已经指定了一个文件作为存储媒质。这是一个用文件来虚拟磁盘的驱动。那么一个磁盘应该对应一个实际存在的文件。读写这个磁盘的请求最终转变为对文件的读写。如果一个磁盘设备对象还没有指定文件，那么这个内容是FALSE.
file_handle是文件句柄。也就是这个虚拟磁盘所对应的文件。
file_information是这个文件的一些信息。
read_only是否只读。
security_client_context 访问文件的时候需要使用的一个线程客户安全性上下文。
list_head是一个链表头。一部分irp（windows发来的请求包）被放入这个链表中。我们为每个磁盘对象开启一个系统线程（处理线程），专门用来处理这些请求。
list_lock是为了保证链表读写同步的锁。
request_event是一个事件。当链表中没有请求的时候，处理请求的系统线程并不做任何事情，而只等待这个事件。当有请求到来，我们把请求放入链表，然后设置这个事件。处理线程就会开始处理这些请求。
thread_pointer是线程的指针，用来最后等待这个线程的结束。
terminate_thread是一个标志。如果设置为TRUE，处理线程执行的时候检测到这个，就会把自己终止掉。
* * *
3.分发例程-打开与关闭，读与写
这里需要Create和Close是为了通信。让应用程序可以打开这些磁盘设备来设置一些信息。
打开关闭非常简单，都是对irp无条件返回成功：
NTSTATUS
FileDiskCreateClose (
IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
IN PIRP Irp
)
{
PAGED_CODE();
Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
Irp->IoStatus.Information = FILE_OPENED;
IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
return STATUS_SUCCESS;
}
PAGED_CODE()是一个调试用的宏。如果一个函数被定义在可分页交换的段中，那么它执行时的中断级别必须满足一定的要求。PAGED_CODE()用来检测是否符合。如果不行，调试版本中这里会出现失败。这个宏仅仅在调试版本下有效。
例子disk的读写非常复杂。而FileDisk的读写是对文件的读写。所以相对简单一些。基本的过程如下：
1.得到设备扩展。
2.检查是否已经打开了文件。如果没有，直接返回失败。
3.对于长度为0的读写，直接返回成功。
4.把请求加入设备扩展中的请求队列中，设置事件让处理线程运行处理。
5.返回等待。
你固然可以在读写例程中直接读写文件。但是这不符合惯例。读写文件需要消耗的时间比较长，应该让系统尽快得到答复以便可以干其他的事情。此外这个函数很容易重入，我们希望把读写请求的完成序列化，为此我们并不在这里直接读写文件。而是把请求放入队列中。为每个磁盘设备对象生成一个系统线程，来依次处理这些请求。
NTSTATUS
FileDiskReadWrite (
IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
IN PIRP Irp
)
{
PDEVICE_EXTENSION device_extension;
PIO_STACK_LOCATION io_stack;
// 得到设备扩展
device_extension = (PDEVICE_EXTENSION) DeviceObject->DeviceExtension;
...
}
上面得到了设备扩展，那么我检查这个磁盘是否已经有物理媒质（也就是一个文件用来模拟磁盘空间）。
// 如果没有打开过文件，就返回失败
if (!device_extension->media_in_device)
{
Irp->IoStatus.Status = STATUS_NO_MEDIA_IN_DEVICE;
Irp->IoStatus.Information = 0;
IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
return STATUS_NO_MEDIA_IN_DEVICE;
}
想得到要读多长的时候要得到Irp的当前栈空间：
io_stack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
// 读0长的时候立刻成功
if (io_stack->Parameters.Read.Length == 0)
{
Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
Irp->IoStatus.Information = 0;
IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
return STATUS_SUCCESS;
}
然后就可以把Irp放到队列里去等待完成了:
// 标志pending
IoMarkIrpPending(Irp);
// 把请求写入链表
ExInterlockedInsertTailList(
&device_extension->list_head,
&Irp->Tail.Overlay.ListEntry,
&device_extension->list_lock
);
// 设置事件。让线程循环运行。
KeSetEvent(
&device_extension->request_event,
(KPRIORITY) 0,
FALSE
);
return STATUS_PENDING;
到此读写例程完成。至于真正的读写完成在处理线程中，请阅读后面关于处理线程的章节。
* * *
5.分发例程-磁盘固有的设备控制
设备控制（Device Control）是除了读，写之外最重要的操作之一。对磁盘来说，windows通过发送设备控制请求来询问此磁盘的一些信息。收到设备控制请求之后，应该首先得到控制功能号，然后根据不同的控制功能号进行不同的处理.这些功能号有些是windows固有的，有些是由你自己定义的。
NTSTATUS
FileDiskDeviceControl (
IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,
IN PIRP Irp
)
{
PDEVICE_EXTENSION device_extension;
PIO_STACK_LOCATION io_stack;
NTSTATUS status;
// 得到设备扩展
device_extension = (PDEVICE_EXTENSION) DeviceObject->DeviceExtension;
// 得到当前设备栈
io_stack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
// 判断如果是还没有加载物理媒质就返回失败。但是
// IOCTL_FILE_DISK_OPEN_FILE是自定义的功能号，专
// 用来加载物理媒质的，所以排除在外
if (!device_extension->media_in_device &&
io_stack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode !=
IOCTL_FILE_DISK_OPEN_FILE)
{
Irp->IoStatus.Status = STATUS_NO_MEDIA_IN_DEVICE;
Irp->IoStatus.Information = 0;
IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
return STATUS_NO_MEDIA_IN_DEVICE;
}
// 根据不同的功能号处理...
switch (io_stack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode)
{
...
}
...
}
有非常多的固有设备控制功能码要处理。这些请求都有参数，从输入空间得到参数后，把返回结果写到输出空间。无论什么请求，其输入和输出空间都是Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer，但是每种请求的参数和返回都有自己的格式，需要一一阅读文档才行。
举例说明，下面的一些功能号检查磁盘的有效性。现在一律返回有效，这个请求简单，不带参数。
case IOCTL_DISK_CHECK_VERIFY:
case IOCTL_CDROM_CHECK_VERIFY:
case IOCTL_STORAGE_CHECK_VERIFY:
case IOCTL_STORAGE_CHECK_VERIFY2:
{
status = STATUS_SUCCESS;
Irp->IoStatus.Information = 0;
break;
}
下面这个请求获得磁盘的物理属性:
case IOCTL_DISK_GET_DRIVE_GEOMETRY:
case IOCTL_CDROM_GET_DRIVE_GEOMETRY:
{
PDISK_GEOMETRY disk_geometry;
ULONGLONG length;
if (io_stack->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength <
sizeof(DISK_GEOMETRY))
{
status = STATUS_BUFFER_TOO_SMALL;
Irp->IoStatus.Information = 0;
break;
}
disk_geometry = (PDISK_GEOMETRY) Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
length = device_extension->file_information.AllocationSize.QuadPart;
disk_geometry->Cylinders.QuadPart = length / MM_MAXIMUM_DISK_IO_SIZE;
disk_geometry->MediaType = FixedMedia;
disk_geometry->TracksPerCylinder = MM_MAXIMUM_DISK_IO_SIZE / PAGE_SIZE;
disk_geometry->SectorsPerTrack = PAGE_SIZE / SECTOR_SIZE;
disk_geometry->BytesPerSector = SECTOR_SIZE;
status = STATUS_SUCCESS;
Irp->IoStatus.Information = sizeof(DISK_GEOMETRY);
break;
}
请注意你要把结果写入到一个DISK_GEOMETRY结构中并把这个结构返回到Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer中。这个结构的定义如下：
typedef struct _DISK_GEOMETRY {
LARGE_INTEGER Cylinders; // 磁柱个数
MEDIA_TYPE MediaType; // 媒质类型
ULONG TracksPerCylinder; // 每个磁柱上的磁道数
ULONG SectorsPerTrack; // 每个磁道上的扇区数
ULONG BytesPerSector; // 每个扇区上的字节数
} DISK_GEOMETRY, *PDISK_GEOMETRY;
以上这个结构说明来自ddk文档。你必须"如实"的返回这些数据。
此外比较重要的是获取分区信息，获取分区信息有两个功能号，IOCTL_DISK_GET_PARTITION_INFO和IOCTL_DISK_GET_PARTITION_INFO_EX，其处理过程是类似的，主要是返回结果的结构不同，下面只举出一个例子:
case IOCTL_DISK_GET_PARTITION_INFO_EX:
{
PPARTITION_INFORMATION_EX partition_information_ex;
ULONGLONG length;
if (io_stack->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength <
sizeof(PARTITION_INFORMATION_EX))
{
status = STATUS_BUFFER_TOO_SMALL;
Irp->IoStatus.Information = 0;
break;
}
partition_information_ex = (PPARTITION_INFORMATION_EX) Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
length = device_extension->file_information.AllocationSize.QuadPart;
partition_information_ex->PartitionStyle = PARTITION_STYLE_MBR;
partition_information_ex->StartingOffset.QuadPart = SECTOR_SIZE;
partition_information_ex->PartitionLength.QuadPart = length - SECTOR_SIZE;
partition_information_ex->PartitionNumber = 0;
partition_information_ex->RewritePartition = FALSE;
partition_information_ex->Mbr.PartitionType = 0;
partition_information_ex->Mbr.BootIndicator = FALSE;
partition_information_ex->Mbr.RecognizedPartition = FALSE;
partition_information_ex->Mbr.HiddenSectors = 1;
status = STATUS_SUCCESS;
Irp->IoStatus.Information = sizeof(PARTITION_INFORMATION_EX);
break;
}
还有其他的一些功能号。你可以查看FileDisk的代码来了解他们。
做为文件虚拟磁盘，这些数据都是虚拟的，所以根据需要返回就行了。无需动用下层设备。而Disk的例子则不同。这些请求都要发到下层设备来获得结果。
* * *
6.每个设备的处理线程
前面说到为每一个磁盘设备对象生成了一个系统线程，用来处理Irp。系统线程的生成用以下的调用:
// 生成一个系统线程
status = PsCreateSystemThread(
&thread_handle,
(ACCESS_MASK) 0L,
NULL,
NULL,
NULL,
FileDiskThread,
device_object
);
device_object是我所生成的磁盘设备对象。作为线程上下文传入。便于我们在线程中得到设备对象指针，然后得到设备扩展。
稍后我们要把线程对象的指针保留下来存到设备扩展中。这使用ObReferenceObjectByHandle来实现。
status = ObReferenceObjectByHandle(
thread_handle,
THREAD_ALL_ACCESS,
NULL,
KernelMode,
&device_extension->thread_pointer,
NULL
);
此后我们关注这个线程的运作。线程的启动函数是FileDiskThread.这个FileDisk实现了以下的功能:
1.获得设备扩展。
2.设置线程优先级。
3.进入死循环。首先等待事件的发生（device_extension->request_event），避免空循环消耗资源。
4.检查终止标志（device_extension->terminate_thread）。如果外部要求终止，就使用PsTerminateSystemThread(STATUS_SUCCESS)终止它。
5.检查请求链表（device_extension->list_head），若有请求，则完成他们。
读写请求的处理非常简单，如下：
switch (io_stack->MajorFunction)
{
case IRP_MJ_READ:
// 对于读，我直接读文件即可
ZwReadFile(
device_extension->file_handle,
NULL,
NULL,
NULL,
&irp->IoStatus,
MmGetSystemAddressForMdlSafe(irp->MdlAddress, NormalPagePriority),
io_stack->Parameters.Read.Length,
&io_stack->Parameters.Read.ByteOffset,
NULL
);
break;
case IRP_MJ_WRITE:
// 写也是与之类似的。
if ((io_stack->Parameters.Write.ByteOffset.QuadPart +
io_stack->Parameters.Write.Length) >
device_extension->file_information.AllocationSize.QuadPart)
{
irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
irp->IoStatus.Information = 0;
}
ZwWriteFile(
device_extension->file_handle,
NULL,
NULL,
NULL,
&irp->IoStatus,
MmGetSystemAddressForMdlSafe(irp->MdlAddress, NormalPagePriority),
io_stack->Parameters.Write.Length,
&io_stack->Parameters.Write.ByteOffset,
NULL
);
break;
};
最后都用下面的代码完成这些请求：
IoCompleteRequest(
irp,
(CCHAR) (NT_SUCCESS(irp->IoStatus.Status) ?
IO_DISK_INCREMENT : IO_NO_INCREMENT)
);
这个线程最后在Unload中终止。Unload例程中调用了FileDiskDeleteDevice，这个函数的主要用途是删除生成的磁盘对象，并终止其处理线程。下面的代码终止处理线程并等待成功终止:
// 得到设备扩展
device_extension = (PDEVICE_EXTENSION) DeviceObject->DeviceExtension;
// 设置线程终止标志
device_extension->terminate_thread = TRUE;
// 设置启动事件
KeSetEvent(
&device_extension->request_event,
(KPRIORITY) 0,
FALSE
);
// 等待线程的结束
KeWaitForSingleObject(
device_extension->thread_pointer,
Executive,
KernelMode,
FALSE,
NULL
);
ObDereferenceObject(device_extension->thread_pointer);
使用IoDeleteDevice()最终将磁盘设备对象删除。
上面曾经提起的，每个虚拟磁盘设备对象打开一个真实的文件作为物理媒质。打开和关闭文件对象也是在处理线程中进行的。FileDisk的作者自定义了两个设备控制功能号，IOCTL_FILE_DISK_CLOSE_FILE和IOCTL_FILE_DISK_OPEN_FILE，很容易让人误解这是在硬盘上生成文件。但是开头我们已经说过生成文件是文件系统驱动所处理的任务，磁盘驱动是不会接受生成文件这样的请求的。这是两个自定义的功能号。
当收到打开文件的请求时，本驱动根据传入的路径使用ZwCreateFile()打开文件。关闭则反之。然后保留文件句柄在设备扩展中（device_extension->file_handle），然后以后处理读写请求就读写这个文件了。以此来实现用文件来虚拟磁盘空间。这部分操作和磁盘驱动无关，这里也不详细叙述了。
* * *
7.总结
ifs下的例子disk是一个磁盘类驱动。而FileDisk虽然是一个磁盘驱动，但是并不是一个类驱动。类驱动应该能得到PDO（发现总线上的物理设备），然后生成功能设备（FDO）去绑定它，并处理给这些设备的请求。存储类设备有一个复杂的框架，其基础代码在E:\WINDDK\2600\src\storage\class\下面。类设备有专用的分发函数，并把大部分请求转发给下层设备。
而FileDisk从上层到下层已经全部包办，因此其构造要简单得多。但是这也使我们更清楚的了解磁盘驱动的本质，在合适的时候生成合适的磁盘设备对象，并处理系统发来的请求。
FileDisk被作为虚拟磁盘的框架广泛应用。可以作为网络磁盘（不同于用文件系统驱动实现的网络卷），简单的存储设备驱动等的开发基础。（全文完）