实战DeviceIoControl 之六：访问物理端口
Q 在NT/2000/XP中，如何读取CMOS数据？
Q 在NT/2000/XP中，如何控制speaker发声？
Q 在NT/2000/XP中，如何直接访问物理端口？
A 看似小小问题，难倒多少好汉！
NT/2000/XP从安全性、可靠性、稳定性上考虑，应用程序和操作系统是分开的，操作系统代码运行在核心态，有权访问系统数据和硬件，能执行特权指令；应用程序运行在用户态，能够使用的接口和访问系统数据的权限都受到严格限制。当用户程序调用系统服务时，处理器捕获该调用，然后把调用的线程切换到核心态。当系统服务完成后，操作系统将线程描述表切换回用户态，调用者继续运行。
想在用户态应用程序中实现I/O读写，直接存取硬件，可以通过编写驱动程序，实现CreateFile、CloseHandle、 DeviceIOControl、ReadFile、WriteFile等功能。从Windows 2000开始，引入WDM核心态驱动程序的概念。
下面是本人写的一个非常简单的驱动程序，可实现字节型端口I/O。
#include <ntddk.h>
#include "MyPort.h"
// 设备类型定义
// 0-32767被Microsoft占用，用户自定义可用32768-65535
#define FILE_DEVICE_MYPORT 0x0000f000
// I/O控制码定义
// 0-2047被Microsoft占用，用户自定义可用2048-4095
#define MYPORT_IOCTL_BASE 0xf00
#define IOCTL_MYPORT_READ_BYTE CTL_CODE(FILE_DEVICE_MYPORT, MYPORT_IOCTL_BASE, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)
#define IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE CTL_CODE(FILE_DEVICE_MYPORT, MYPORT_IOCTL_BASE+1, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)
// IOPM是65536个端口的位屏蔽矩阵，包含8192字节(8192 x 8 = 65536)
// 0 bit: 允许应用程序访问对应端口
// 1 bit: 禁止应用程序访问对应端口
#define IOPM_SIZE 8192
typedef UCHAR IOPM[IOPM_SIZE];
IOPM *pIOPM = NULL;
// 设备名(要求以UNICODE表示)
const WCHAR NameBuffer[] = L"//Device//MyPort";
const WCHAR DOSNameBuffer[] = L"//DosDevices//MyPort";
// 这是两个在ntoskrnl.exe中的未见文档的服务例程
// 没有现成的已经说明它们原型的头文件，我们自己声明
void Ke386SetIoAccessMap(int, IOPM *);
void Ke386IoSetAccessProcess(PEPROCESS, int);
// 函数原型预先说明
NTSTATUS MyPortDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp);
void MyPortUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject);
// 驱动程序入口，由系统自动调用，就像WIN32应用程序的WinMain
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
PDEVICE_OBJECT deviceObject;
NTSTATUS status;
UNICODE_STRING uniNameString, uniDOSString;
// 为IOPM分配内存
pIOPM = MmAllocateNonCachedMemory(sizeof(IOPM));
if (pIOPM == 0)
{
return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
}
// IOPM全部初始化为0(允许访问所有端口)
RtlZeroMemory(pIOPM, sizeof(IOPM));
// 将IOPM加载到当前进程
Ke386IoSetAccessProcess(PsGetCurrentProcess(), 1);
Ke386SetIoAccessMap(1, pIOPM);
// 指定驱动名字
RtlInitUnicodeString(&uniNameString, NameBuffer);
RtlInitUnicodeString(&uniDOSString, DOSNameBuffer);
// 创建设备
status = IoCreateDevice(DriverObject, 0,
&uniNameString,
FILE_DEVICE_MYPORT,
0, FALSE, &deviceObject);
if (!NT_SUCCESS(status))
{
return status;
}
// 创建WIN32应用程序需要的符号连接
status = IoCreateSymbolicLink (&uniDOSString, &uniNameString);
if (!NT_SUCCESS(status))
{
return status;
}
// 指定驱动程序有关操作的模块入口(函数指针)
// 涉及以下两个模块：MyPortDispatch和MyPortUnload
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] =
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] =
DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = MyPortDispatch;
DriverObject->DriverUnload = MyPortUnload;
return STATUS_SUCCESS;
}
// IRP处理模块
NTSTATUS MyPortDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp)
{
PIO_STACK_LOCATION IrpStack;
ULONG dwInputBufferLength;
ULONG dwOutputBufferLength;
ULONG dwIoControlCode;
PULONG pvIOBuffer;
NTSTATUS ntStatus;
// 填充几个默认值
Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS; // 返回状态
Irp->IoStatus.Information = 0; // 输出长度
IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
// Get the pointer to the input/output buffer and it's length
// 输入输出共用的缓冲区
// 因为我们在IOCTL中指定了METHOD_BUFFERED，
pvIOBuffer = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
switch (IrpStack->MajorFunction)
{
case IRP_MJ_CREATE: // 与WIN32应用程序中的CreateFile对应
break;
case IRP_MJ_CLOSE: // 与WIN32应用程序中的CloseHandle对应
break;
case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL: // 与WIN32应用程序中的DeviceIoControl对应
dwIoControlCode = IrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;
switch (dwIoControlCode)
{
// 我们约定，缓冲区共两个DWORD，第一个DWORD为端口，第二个DWORD为数据
// 一般做法是专门定义一个结构，此处简单化处理了
case IOCTL_MYPORT_READ_BYTE: // 从端口读字节
pvIOBuffer[1] = _inp(pvIOBuffer[0]);
Irp->IoStatus.Information = 8; // 输出长度为8
break;
case IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE: // 写字节到端口
_outp(pvIOBuffer[0], pvIOBuffer[1]);
break;
default: // 不支持的IOCTL
Irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
}
}
ntStatus = Irp->IoStatus.Status;
IoCompleteRequest (Irp, IO_NO_INCREMENT);
return ntStatus;
}
// 删除驱动
void MyPortUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
UNICODE_STRING uniDOSString;
if(pIOPM)
{
// 释放IOPM占用的空间
MmFreeNonCachedMemory(pIOPM, sizeof(IOPM));
}
RtlInitUnicodeString(&uniDOSString, DOSNameBuffer);
// 删除符号连接和设备
IoDeleteSymbolicLink (&uniDOSString);
IoDeleteDevice(DriverObject->DeviceObject);
}
下面给出实现设备驱动程序的动态加载的源码。动态加载的好处是，你不用做任何添加新硬件的操作，也不用编辑注册表，更不用重新启动计算机。
// 安装驱动并启动服务
// lpszDriverPath: 驱动程序路径
// lpszServiceName: 服务名
BOOL StartDriver(LPCTSTR lpszDriverPath, LPCTSTR lpszServiceName)
{
SC_HANDLE hSCManager; // 服务控制管理器句柄
SC_HANDLE hService; // 服务句柄
DWORD dwLastError; // 错误码
BOOL bResult = FALSE; // 返回值
// 打开服务控制管理器
hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL, SC_MANAGER_ALL_ACCESS);
if (hSCManager)
{
// 创建服务
hService = CreateService(hSCManager,
lpszServiceName,
lpszServiceName,
SERVICE_ALL_ACCESS,
SERVICE_KERNEL_DRIVER,
SERVICE_DEMAND_START,
SERVICE_ERROR_NORMAL,
lpszDriverPath,
NULL,
NULL,
NULL,
NULL,
NULL);
if (hService == NULL)
{
if (::GetLastError() == ERROR_SERVICE_EXISTS)
{
hService = ::OpenService(hSCManager, lpszServiceName, SERVICE_ALL_ACCESS);
}
}
if (hService)
{
// 启动服务
bResult = StartService(hService, 0, NULL);
// 关闭服务句柄
CloseServiceHandle(hService);
}
// 关闭服务控制管理器句柄
CloseServiceHandle(hSCManager);
}
return bResult;
}
// 停止服务并卸下驱动
// lpszServiceName: 服务名
BOOL StopDriver(LPCTSTR lpszServiceName)
{
SC_HANDLE hSCManager; // 服务控制管理器句柄
SC_HANDLE hService; // 服务句柄
BOOL bResult; // 返回值
SERVICE_STATUS ServiceStatus;
bResult = FALSE;
// 打开服务控制管理器
hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL, SC_MANAGER_ALL_ACCESS);
if (hSCManager)
{
// 打开服务
hService = OpenService(hSCManager, lpszServiceName, SERVICE_ALL_ACCESS);
if (hService)
{
// 停止服务
bResult = ControlService(hService, SERVICE_CONTROL_STOP, &ServiceStatus);
// 删除服务
bResult = bResult && DeleteService(hService);
// 关闭服务句柄
CloseServiceHandle(hService);
}
// 关闭服务控制管理器句柄
CloseServiceHandle(hSCManager);
}
return bResult;
}
应用程序实现端口I/O的接口如下：
// 全局的设备句柄
HANDLE hMyPort;
// 打开设备
// lpszDevicePath: 设备的路径
HANDLE OpenDevice(LPCTSTR lpszDevicePath)
{
HANDLE hDevice;
// 打开设备
hDevice = ::CreateFile(lpszDevicePath, // 设备路径
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 读写方式
FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE, // 共享方式
NULL, // 默认的安全描述符
OPEN_EXISTING, // 创建方式
0, // 不需设置文件属性
NULL); // 不需参照模板文件
return hDevice;
}
// 打开端口驱动
BOOL OpenMyPort()
{
BOOL bResult;
// 设备名为"MyPort"，驱动程序位于Windows的"system32/drivers"目录中
bResult = StartDriver("system32//drivers//MyPort.sys", "MyPort");
// 设备路径为"//./MyPort"
if (bResult)
{
hMyPort = OpenDevice("////.//MyPort");
}
return (bResult && (hMyPort != INVALID_HANDLE_VALUE));
}
// 关闭端口驱动
BOOL CloseMyPort()
{
return (CloseHandle(hMyPort) && StopDriver("MyPort"));
}
// 从指定端口读一个字节
// port: 端口
BYTE ReadPortByte(WORD port)
{
DWORD buf[2]; // 输入输出缓冲区
DWORD dwOutBytes; // IOCTL输出数据长度
buf[0] = port; // 第一个DWORD是端口
// buf[1] = 0; // 第二个DWORD是数据
// 用IOCTL_MYPORT_READ_BYTE读端口
::DeviceIoControl(hMyPort, // 设备句柄
IOCTL_MYPORT_READ_BYTE, // 取设备属性信息
buf, sizeof(buf), // 输入数据缓冲区
buf, sizeof(buf), // 输出数据缓冲区
&dwOutBytes, // 输出数据长度
(LPOVERLAPPED)NULL); // 用同步I/O
return (BYTE)buf[1];
}
// 将一个字节写到指定端口
// port: 端口
// data: 字节数据
void WritePortByte(WORD port, BYTE data)
{
DWORD buf[2]; // 输入输出缓冲区
DWORD dwOutBytes; // IOCTL输出数据长度
buf[0] = port; // 第一个DWORD是端口
buf[1] = data; // 第二个DWORD是数据
// 用IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE写端口
::DeviceIoControl(hMyPort, // 设备句柄
IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE, // 取设备属性信息
buf, sizeof(buf), // 输入数据缓冲区
buf, sizeof(buf), // 输出数据缓冲区
&dwOutBytes, // 输出数据长度
(LPOVERLAPPED)NULL); // 用同步I/O
}
有了ReadPortByte和WritePortByte这两个函数，我们就能很容易地操纵CMOS和speaker了(关于CMOS值的含义以及定时器寄存器定义，请参考相应的硬件资料)：
// 0x70是CMOS索引端口(只写)
// 0x71是CMOS数据端口
BYTE ReadCmos(BYTE index)
{
BYTE data;
::WritePortByte(0x70, index);
data = ::ReadPortByte(0x71);
return data;
}
// 0x61是speaker控制端口
// 0x43是8253/8254定时器控制端口
// 0x42是8253/8254定时器通道2的端口
void Sound(DWORD freq)
{
BYTE data;
if ((freq >= 20) && (freq <= 20000))
{
freq = 1193181 / freq;
data = ::ReadPortByte(0x61);
if ((data & 3) == 0)
{
::WritePortByte(0x61, data | 3);
::WritePortByte(0x43, 0xb6);
}
::WritePortByte(0x42, (BYTE)(freq % 256));
::WritePortByte(0x42, (BYTE)(freq / 256));
}
}
void NoSound(void)
{
BYTE data;
data = ::ReadPortByte(0x61);
::WritePortByte(0x61, data & 0xfc);
}
// 以下读出CMOS 128个字节
for (int i = 0; i < 128; i++)
{
BYTE data = ::ReadCmos(i);
... ...
}
// 以下用C调演奏“多-来-米”
// 1 = 262 Hz
::Sound(262);
::Sleep(200);
::NoSound();
// 2 = 288 Hz
::Sound(288);
::Sleep(200);
::NoSound();
// 3 = 320 Hz
::Sound(320);
::Sleep(200);
::NoSound();
Q 就是个简单的端口I/O，这么麻烦才能实现，搞得俺头脑稀昏，有没有简洁明了的办法啊？
A 上面的例子，之所以从编写驱动程序，到安装驱动，到启动服务，到打开设备，到访问设备，一直到读写端口，这样一路下来，是为了揭示在NT/2000/XP中硬件访问技术的本质。假如将所有过程封装起来，只提供OpenMyPort, CloseMyPort, ReadPortByte, WritePortByte甚至更高层的ReadCmos、WriteCmos、Sound、NoSound给你调用，是不是会感觉清爽许多？
实际上，我们平常做的基于一定硬件的二次开发，一般会先安装驱动程序(DRV)和用户接口的运行库(DLL)，然后在此基础上开发出我们的应用程序(APP)。DRV、DLL、APP三者分别运行在核心态、核心态/用户态联络带、用户态。比如买了一块图象采集卡，要先安装核心驱动，它的“Development Tool Kit”，提供类似于PCV_Initialize, PCV_Capture等的API，就是扮演核心态和用户态联络员的角色。我们根本不需要CreateFile、CloseHandle、 DeviceIOControl、ReadFile、WriteFile等较低层次的直接调用。
Yariv Kaplan写过一个WinIO的例子，能实现对物理端口和内存的访问，提供了DRV、DLL、APP三方面的源码，有兴趣的话可以深入研究一下。