WDM驱动程序入门

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WDM驱动程序入门（1）——HelloWDM

WDM驱动程序是一种很新的东西，相信很多人都跟我一样，对它很感兴趣，但是又找不到学习的切入点。究其原因，还是因为WDM是一种非常“死板板”的程序，它一运行就是工作在系统的底层RING 0处，提供各种接口给应用程序调用。也正因为如此，它不像普通的应用程序一样，可以很快地上手——更多的时候，你是在阅读它的技术资料和各种接口信息，你还要非常地熟悉系统底层的工作原理，否则一个不小心，就“蓝屏”了，呵呵——话说回来，写驱动程序的时候，死机是家常便饭。

因此很多人都对WDM望而生畏了。回想一下，我刚开始学WDM的情形还历历在目——看书看了整整3天，但是看完之后好像跟没看也差不了多少，还是不知道怎么入门，甚至连怎么写一个“Hello World”都不知道——后来才知道其实WDM是没有所谓的“Hello World”程序的，唉，真是痛苦啊，这主要还是因为网络上的WDM资料太少造成的。为了不让大家重蹈我的覆辙并对WDM有个感性的认识，在此我给出一个最简单的完整的WDM框架，并附有注释，姑且可以算是一个入门的“Hello World”吧。

废话少说，让我们马上开始研究，要求读者已安装DDK 2000。（在Win98中我还没有测试过，不清楚是否能正常运行）

/***************************************************************
程序名称：Hello World for WDM
文件名称：HelloWDM.h
作者：罗聪
日期：2002-8-16
***************************************************************/

//头文件，只是声明一些函数和变量，比较简单就不多说了，请读者自行研究：

#ifdef __cplusplus

extern "C"
{
#endif

#include "ntddk.h"

#ifdef __cplusplus
}
#endif

typedef struct _DEVICE_EXTENSION
{
    PDEVICE_OBJECT    fdo;
    PDEVICE_OBJECT    NextStackDevice;
    UNICODE_STRING    ifSymLinkName;

} DEVICE_EXTENSION, *PDEVICE_EXTENSION;

NTSTATUS HelloWDMAddDevice(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
                           IN PDEVICE_OBJECT PhysicalDeviceObject);

NTSTATUS HelloWDMPnp(IN PDEVICE_OBJECT fdo,
                        IN PIRP Irp);

Code
/***************************************************************
程序名称：Hello World for WDM
文件名称：HelloWDM.cpp
作者：罗聪
日期：2002-8-16
***************************************************************/ 

//一定要的头文件，声明了函数模块和变量：
#include "HelloWDM.h" 

/***************************************************************
函数名称：DriverEntry()
功能描述：WDM程序入口
***************************************************************/
//extern "C"是必须的，表示“用C链接”。如果你的文件名是HelloWDM.c的话，这句可以省略。
extern "C"
NTSTATUS DriverEntry(    IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
                        IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
    //指定“添加设备”消息由函数“HelloWDMAddDevice()”来处理：
    DriverObject->DriverExtension->AddDevice = HelloWDMAddDevice;
    //指定“即插即用”消息由函数“HelloWDMPnp()”来处理：
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] = HelloWDMPnp; 

    //返回一个NTSTATUS值STATUS_SUCCESS。几乎所有的驱动程序例程都必须返回一个NTSTATUS值，这些值在NTSTATUS.H DDK头文件中有详细的定义。
    return STATUS_SUCCESS;
} 

/***************************************************************
函数名称：HelloWDMAddDevice()
功能描述：处理“添加设备”消息
***************************************************************/
NTSTATUS HelloWDMAddDevice(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject,
                           IN PDEVICE_OBJECT PhysicalDeviceObject)
{
    //定义一个NTSTATUS类型的返回值：
    NTSTATUS status;
    //定义一个功能设备对象（Functional Device Object）：
    PDEVICE_OBJECT fdo; 

    //创建我们的功能设备对象，并储存到fdo中：
    status = IoCreateDevice(
        DriverObject,                //驱动程序对象
        sizeof(DEVICE_EXTENSION),    //要求的设备扩展的大小
        NULL,                        //设备名称，这里为NULL
        FILE_DEVICE_UNKNOWN,        //设备的类型，在标准头文件WDM.H或NTDDK.H中列出的FILE_DEVICE_xxx值之一
        0,                            //各种常量用OR组合在一起，指示可删除介质、只读等。
        FALSE,                        //如果一次只有一个线程可以访问该设备，为TRUE，否则为FALSE
        &fdo);                        //返回的设备对象 

    //NT_SUCCESS宏用于测试IoCreateDevice内核是否成功完成。不要忘记检查对内核的所有调用是否成功。NT_ERROR宏不等同于!NT_SUCCESS，最好使用!NT_SUCCESS，因为除了错误外，它还截获警告信息。
    if( !NT_SUCCESS(status))
        return status; 

    //创建一个设备扩展对象dx，用于存储指向fdo的指针：
    PDEVICE_EXTENSION dx = (PDEVICE_EXTENSION)fdo->DeviceExtension;
    dx->fdo = fdo; 

    //用IoAttachDeviceToDeviceStack函数把HelloWDM设备挂接到设备栈：
    dx->NextStackDevice = IoAttachDeviceToDeviceStack(fdo, PhysicalDeviceObject); 

    //设置fdo的flags。有两个“位”是必须改变的，一个是必须清除DO_DEVICE_INITIALIZING标志，如果在DriverEntry例程中调用IoCreateDevice()，就不需要清除这个标志位。还有一个是必须设置DO_BUFFER_IO标志位：
    fdo->Flags |= DO_BUFFERED_IO | DO_POWER_PAGABLE;
    fdo->Flags &= ~DO_DEVICE_INITIALIZING; 

    //返回值：
    return STATUS_SUCCESS;
} 

/***************************************************************
函数名称：HelloWDMPnp()
功能描述：处理“即插即用”消息
***************************************************************/
NTSTATUS HelloWDMPnp(IN PDEVICE_OBJECT fdo,
                        IN PIRP Irp)
{
    //创建一个设备扩展对象dx，用于存储指向fdo的指针：
    PDEVICE_EXTENSION dx=(PDEVICE_EXTENSION)fdo->DeviceExtension; 

    //首先要通过函数IoGetCurrentIrpStackLocation()得到当前的IRP，并由此得到Minor Function：
    PIO_STACK_LOCATION IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
    ULONG MinorFunction = IrpStack->MinorFunction; 

    //然后把这个Minor Function传递给下一个设备栈：
    IoSkipCurrentIrpStackLocation(Irp);
    NTSTATUS status = IoCallDriver( dx->NextStackDevice, Irp); 

    //处理“即插即用”次功能代码：
    //当Minor Function等于IRP_MN_REMOVE_DEVICE时，说明有设备被拔出或卸下，这时要取消资源分配并删除设备：
    if( MinorFunction==IRP_MN_REMOVE_DEVICE)
    {
        //取消设备接口：
        IoSetDeviceInterfaceState(&dx->ifSymLinkName, FALSE);
        RtlFreeUnicodeString(&dx->ifSymLinkName);
        //调用IoDetachDevice()把fdo从设备栈中脱开：
        if (dx->NextStackDevice)
            IoDetachDevice(dx->NextStackDevice);
        //删除fdo：
        IoDeleteDevice(fdo);
    } 

    //返回值：
    return status;
} 

 

WDM驱动程序入门（2）——驱动程序的小秘密

WDM程序编译出来的并不是我们常见的.exe，而是.sys文件，在未经设置编译环境之前，是不能直接用VC来编译的（这就是为什么会有几百个错误了）。这种类型的文件你可以在WINNT\System32\Drivers里面找到很多。其实驱动程序也是一种PE文件，它同样由DOS MZ header开头，也有完整的DOS stub和PE header，同样拥有Import table和Export table——hoho……那跟普通的PE文件有什么不一样呢？

其实.sys跟.exe文件一样，都是一种PE文件来的。不同的是，.sys文件Import的通常是NTOSKRNL.EXE，而.exe文件Import的通常是KERNEL32.DLL和USER32.DLL。

知道了这些有什么用呢？实际上，由于.sys通常不调用KERNEL32.DLL和USER32.DLL，所以你是不能在设备驱动程序里面调用任何C、C++和Win32函数的，而且也不能用C++关键字new和delete等（可以用malloc和free来代替），而必须使用大量的内核函数。

为了读者的方便，下面我列出一些常见的驱动程序可用的内核函数：
Ex…        执行支持
Hal…        硬件抽象层（仅NT/Windows 2000）
Io…        I/O管理器（包括即插即用函数）
Ke…        内核
Ks…        内核流IRP管理函数
Mm…        内存管理器
Ob…        对象管理器
Po…        电源管理
Ps…        进程结构
Rtl…        运行时库
Se…        安全引用监视
Zw…        其他函数

写设备驱动程序时必须注意的一些问题：

1、内核宏
如果查看DDK头文件，会发现有几个内核函数是以宏的方式实现的。这种宏中有几个宏的定义是相当糟糕的。例如，我们看到RemoveHeadList的定义如下：#define RemoveHeadList(ListHead)
        (ListHead)->Flink;
        {RemoveEntryList((ListHead)->Flink)}

如果以以下方式调用RemoveHeadList，则将编译错误的代码：if(SomethingInList)
        Entry = RemoveHeadList(list);

使这个调用安全的唯一方法是使用花括号：if(SomethingInList)
    {
        Entry = RemoveHeadList(list);
    }

 

所以我们切勿为了贪图一时的方便，而使用不太规范的写法，最好是在所有的if、for和while等语句中使用花括号。

2、驱动程序函数名称
跟C/C++的main()函数一样，设备驱动程序也有一个必须存在，而且只能以DriverEntry()为名称的入口函数。然而，除此之外，我们可以使用任何名字来给其他函数命名——只要你自己记得就行了，当然，最好符合某些特定的规范啦，例如匈牙利命名法……

3、安装时的问题
·在Windows98中驱动程序可执行文件必须是8.3文件名。（别问我为什么，我也不知道，我只能建议你去问比尔该死）
·如果INF文件中含有非法节的详细资料，Windows将不使用这个INF文件。

 WDM驱动程序入门（3）——安装步骤

DDK分为98 DDK和2000 DDK两种，它们工作起来是大同小异的，不过有些驱动程序只能在2000 DDK中使用。由于Win98注定是一种即将被淘汰的操作系统了，所以我也不打算介绍如何在98 DDK中进行编译，以下的所有内容都是针对2000 DDK的。

·准备工作
1、确定你已经安装了Visual C++
2、安装2000 DDK
3、安装2000 DDK成功后，在“开始”->“程序”里应该有“Development Kits”->“Windows 2000 DDK”的项目。
（注意一定要先安装好VC，然后才安装DDK，这个顺序决不能颠倒！！）
4、保证DDKROOT环境变量设置为Windows 2000 DDK的基目录，如果不是的话，请在控制面板“系统”属性的“高级”标签环境变量编辑器中设置好这个环境变量。

·编写必需的文件
编译WDM程序的时候，有两个文件是必须要有的，它们是：
1、makefile
（这个是什么啊？你可能会问。）对于比较年轻的程序员来说，有可能没有见过这个文件吧。其实在VC这些IDE出现之前，我们都必须使用makefile来确定项目中哪些文件需要重新编译，现在的IDE都把这个工作自动做好了。（Well……其实这样也好。）
我们要做的工作很简单，就是提供这样一个文件，它的内容是：
#
# DO NOT EDIT THIS FILE!!!  Edit .\sources. If you want to add a new source
# file to this component.  This file merely indirects to the real make file
# that is shared by all the driver components of the Windows NT DDK
#

!INCLUDE $(NTMAKEENV)\makefile.def

 

正如它所述，不要编辑这个文件。事实上每个WDM程序所需要的makefile的内容都是一样的，也就是说，我们只需要简单地copy一个makefile到新的项目中就可以了。（呵呵，是不是很方便呢？）

2、Sources
TARGETNAME=HelloWDM
TARGETTYPE=DRIVER
DRIVERTYPE=WDM
TARGETPATH=OBJ

INCLUDES=$(BASEDIR)\inc;\
         $(BASEDIR)\inc\ddk;\

TARGETLIBS=$(BASEDIR)\lib\*\free\usbd.lib\

SOURCES=HelloWDM.cpp\

 

这个文件指定了驱动程序目标名是HelloWDM.sys，是一个WDM驱动程序，生成的文件存放在OBJ目录中。值得注意的是，“=”前后不能有空格，否则编译的时候会出错。

·开始编译
娃哈哈，前面罗罗嗦嗦讲了一大堆，现在终于到重点了。WDM程序的编译过程比较特殊，它不是在VC里面按F7来编译的（尽管你可以通过设置来达到这一目的），而是通过一个DDK实用工具build来完成。下面我们来讲讲具体步骤：
1、“Debug”版的生成
首先，我们假设你的源代码放在D:\HelloWDM里面。请跟着以下步骤：

“开始”->“程序”->“Development Kits”->“Windows 2000 DDK”->“Checked Build Environment”

屏幕将显示：（有“回车”的那行是需要读者你亲自打进去的）
New or updated MSVC detected.  Updating DDK environment….

Setting environment for using Microsoft Visual C++ tools.
Starting dirs creation…Completed.

D:\NTDDK>cd\HelloWDM    （回车）

D:\HelloWDM>build    （回车）

 

如果源代码没有错误的话，生成的HelloWDM.sys将存放在objchk\i386目录中。

2、“Release”版的生成
请跟着以下步骤：

“开始”->“程序”->“Development Kits”->“Windows 2000 DDK”->“Free Build Environment”

随后的步骤跟“Debug”版相同，不同的是生成的HelloWDM.sys将存放在objfre\i386目录中。

·安装
如果前面的编译过程没有错误的话，现在我们应该已经得到了一个HelloWDM.sys文件，假设它是放在D:\HelloWDM\objfre\i386中。

我们还要干什么呢？…………对啦，就是安装它！不然辛辛苦苦编译出来有什么用？

安装WDM驱动程序可以用两种方法，一种是利用注册表，还有一种是利用INF文件。我们一般是采用INF文件（这是微软推荐的）。INF文件可以在 WINNT\INF 目录中找到很多。为了顺利安装，我在这里先给出 HelloWDM 所需要的 HelloWDM.INF 文件：

 

Code
;; The Win2K DDK documentation contains an excellent INF reference.

;--------- Version Section ---------------------------------------------------

[Version]
Signature="$CHICAGO$"
Provider=LC_Device
DriverVer=8/21/2002,3.0.0.3

; If device fits one of the standard classes, use the name and GUID here,
; otherwise create your own device class and GUID as this example shows.

Class=Unknown
ClassGUID={ff646f80-8def-11d2-9449-00105a075f6b}

;--------- SourceDiskNames and SourceDiskFiles Section -----------------------

; These sections identify source disks and files for installation. They are
; shown here as an example, but commented out.

[SourceDisksNames]
1 = "HelloWDM",Disk1,,

[SourceDisksFiles]
HelloWDM.sys = 1,objfre\i386,

;--------- ClassInstall/ClassInstall32 Section -------------------------------

; Not necessary if using a standard class

; 9X Style
[ClassInstall]
Addreg=Class_AddReg

; NT Style
[ClassInstall32]
Addreg=Class_AddReg

[Class_AddReg]
HKR,,,,%DeviceClassName%
HKR,,Icon,,"-5"

;--------- DestinationDirs Section -------------------------------------------

[DestinationDirs]
YouMark_Files_Driver = 10,System32\Drivers

;--------- Manufacturer and Models Sections ----------------------------------

[Manufacturer]
%MfgName%=Mfg0

[Mfg0]

; PCI hardware Ids use the form
; PCI\VEN_aaaa&DEV_bbbb&SUBSYS_cccccccc&REV_dd
;改成你自己的ID
%DeviceDesc%=YouMark_DDI, PCI\VEN_9999&DEV_9999

;---------- DDInstall Sections -----------------------------------------------
; --------- Windows 9X -----------------

; Experimentation has shown that DDInstall root names greater than 19 characters
; cause problems in Windows 98

[YouMark_DDI]
CopyFiles=YouMark_Files_Driver
AddReg=YouMark_9X_AddReg

[YouMark_9X_AddReg]
HKR,,DevLoader,,*ntkern
HKR,,NTMPDriver,,HelloWDM.sys
HKR, "Parameters", "BreakOnEntry", 0x00010001, 0

; --------- Windows NT -----------------

[YouMark_DDI.NT]
CopyFiles=YouMark_Files_Driver
AddReg=YouMark_NT_AddReg

[YouMark_DDI.NT.Services]
Addservice = HelloWDM, 0x00000002, YouMark_AddService

[YouMark_AddService]
DisplayName = %SvcDesc%
ServiceType = 1 ; SERVICE_KERNEL_DRIVER
StartType = 3 ; SERVICE_DEMAND_START
ErrorControl = 1 ; SERVICE_ERROR_NORMAL
ServiceBinary = %10%\System32\Drivers\HelloWDM.sys

[YouMark_NT_AddReg]
HKLM, "System\CurrentControlSet\Services\HelloWDM\Parameters",\
"BreakOnEntry", 0x00010001, 0


; --------- Files (common) -------------

[YouMark_Files_Driver]
HelloWDM.sys

;--------- Strings Section ---------------------------------------------------

[Strings]
ProviderName="Flying L Co.,Ltd."
MfgName="LC Soft"
DeviceDesc="Hello World WDM!"
DeviceClassName="LC_Device"
SvcDesc="???"

注意它可以同时在Win98或者Win2000中使用（系统会通过这个INF文件里面的字段名称，自动选择适合当前系统的安装方法的）。由于INF文件的各个字段含义比较复杂，限于篇幅，我在这里就不详细讲解了，请读者自行参阅有关的文章或者书籍。

准备好这个 HelloWDM.INF 文件后，让我们打开控制面板，双击“添加/删除硬件”，选择“添加/排除设备故障”->“添加新设备”->“否，我想从列表选择硬件”->“其它设备”->“从磁盘安装”，选择 HelloWDM.INF 所在的路径，然后安装。

当安装完成后，系统就会添加上你写好的驱动程序了。（可以在“设备管理器”中查看到）。然后重启电脑，这个驱动程序就投入使用啦。