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Windows Driver Model

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視窗驅動程式模型（Windows Driver Model，簡稱WDM），是微軟視窗作業系統的驅動程式設計架構，包括對於各項裝置（Device）的支援，如鍵盤（Keyboard）、滑鼠（Mouse）、網絡卡（Network Driver Interface Specification，Ndis）、通用序列匯流排（Universal Serial Bus，USB）等。WDM可支援Windows 98, Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows 2000, Windows XP以及Windows Server 2003在x86平台上的建制工作。這個架構分成好幾個管理層面：

  • 核心（Kernel）
  • 物件管理（Object Manager）
  • 執行（Executive）
  • 輸入輸出管理（I/O Manager）
  • 記憶體管理（Memory Manager）
  • 行程服務（Process Service）
  • 執行時期函式庫（Run-time Library）
  • 電源管理（Power Manager）
  • 隨插即用子系統（Plug and Play Subsystem）
  • 視窗管理指令（Windows Management Instrumentation，WMI）
  • 核心流（Kernel Streaming）
  • 硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer）

種類

驅動程式的種類有匯流排驅動程式（bus driver）、功能驅動程式（function driver）、篩選驅動程式（filter driver）三種：

  • 匯流排驅動程式（bus drivers）
    • 虛擬匯流排驅動程式（Virtual bus drivers）：呼叫IoInvalidateDeviceRelations通知PnP Manager。
  • 功能驅動程式（function drivers）
    • 微埠型驅動程式（miniport drivers）：屬於USB, Audio, SCSI以及network的轉換器（adapters）。
    • 虛擬裝置驅動程式（Virtual device drivers）
    • 類型驅動程式（Class drivers）
  • 篩選性驅動程式（filter drivers）
    • 上層篩選性驅動程式（upper-filter drivers）
    • 下層篩選性驅動程式（lower-filter drivers）

程式進入點

如同許多語言從main函數開始，WDM驅動程式的載入（Loading）乃至於動作，以及其解除安裝（Unload）行為，都有其步驟與規則。WDM驅動程式可以動態式的載入與解除安裝，當偵測到裝置（Device）插入的時候，依據「PnP Manager」會自動地載入相對應的裝置驅動程式，然後成為「Driver Object」，並呼叫DriverEntry函數。所有的WDM驅動程式，都必須擁有這個DriverEntry常式（routine），而且「此一名稱不可改變」的，所有的驅動程式也是從這裏開始執行的，I/O Manager首先呼叫驅動程式的DriverEntry()。DriverEntry在DDK Compiler編譯出來的輸出符號表是「DriverEntry@8」，原因是微軟的C編譯器把stdcall函示（例如VcDCall）的名稱加上「記號」，加上一個＠符號，在附上參數的總位元組個數，8指此function的所有參數所佔的byte數。

DriverEntry函數有兩個參數，其中第一個參數PDRIVER_OBJECT DriverObject是指向該驅動程式對應的物件指標；PUNICODE_STRING RegistryPath，驅動程式的服務主要鍵碼，這個參數的使用時機並不多。以下是一個簡單而標準的DriverEntry基本實作： 

 NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING pRegistryString)
 {
   //PDEVICE_OBJECT DriverObject;
   UNICODE_STRING deviceName;
   RtlInitUnicodeString( &deviceName, DEVICE_NAME );
       
   status = IoCreateDevice( DriverObject, 0, &deviceName, 
      FILE_DEVICE_UNKNOWN, FILE_DEVICE_SECURE_OPEN, true, &pDeviceObj );
 
   UNICODE_STRING linkName;
   RtlInitUnicodeString( &linkName, LINK_NAME );
   status = IoCreateSymbolicLink( &linkName, &deviceName );
 
   DriverObject->DriverUnload = DriverUnload;
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] =
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] =
   DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = xxDriverDispatch;
   DriverObject->DriverUnload = xxUnload;
 
   return STATUS_SUCCESS;
 }

IRQL

DriverEntry運作在IRQL = PASSIVE_LEVEL等級，所以可以使用分頁主記憶體。WDM有數個經常實作的PASSIVE_LEVEL等級如下：

  • DriverEntry
  • Dispatch Function：DispatchXxx
  • Unload：UnloadXxx
  • AddDevice: XxxAddDevice
  • Reinitialize: XxxReinitialize

另外還有幾個DISPATCH_LEVEL等級的函數如下：

  • StartIo
  • AdapterControl
  • ControllerControl
  • IoTimer
  • Dpc（延遲程式呼叫，Deferred Procedure Call）

派送行程

當DriverEntry函數完成物件的初始化與系統註冊之後，接下來的重點便會落在Dispatch Function身上。每當I/O Manager得到一個請求時（例如按鍵，移動滑鼠），它使用請求的函數代碼（IoControlCode）呼叫驅動程式中幾個Dispatch行程。 

 NTSTATUS xxDispatch (IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,IN PIRP pIrp)
 { 
    NTSTATUS ntStatus = STATUS_SUCCESS;
    ULONG IoControlCodes = 0;             
    PIO_STACK_LOCATION IrpStack=NULL;   
 
    pIrp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
    pIrp->IoStatus.Information = 0;
 
    IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);    
 
    switch (IrpStack->MajorFunction)
    { 
        case IRP_MJ_CREATE:
            break;
        case IRP_MJ_CLOSE:
            break;
        case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:
            IoControlCodes=IrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;
            switch (IoControlCodes)
            { 
                case IOCTL_1:
                    break;
                case IOCTL_2:
                    break;
                default:
                    pIrp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
                    break;
            }
            break;
        default:
            break;
    }
    ntStatus=pIrp->IoStatus.Status;
 
    IoCompleteRequest(pIrp,IO_NO_INCREMENT);
 
    return ntStatus;
 }

解除安裝

Unload負責在驅動程式被停止前做一些必要的處理動作，如釋放資源，記錄最後狀態等。 

 VOID DriverUnLoad (IN PDRIVER_OBJECT DriverObject)
 { 
   if (DeviceObject) {
   IoUnregisterFileSystem(DeviceObject);
   IoDeleteDevice(DeviceObject);
   //DeviceObject = 0;
 }

編譯

驅動程式的編譯需要使用DDK（Device Driver Kit）中的build指令，它是一道命令列程式，一般會在後面加上參數：-ceZ。例如： 

 C:\driver sample>build.exe -ceZ

DDK可用於建立用於 Windows 2000、Windows XP、Microsoft Windows Server 2003、Vista的建置環境，但在Windows作業系統並非預設的功能，必須另行安裝。安裝完成後你會看到Build Enviroment，free是指release版，check則是debug版。

  • Windows XP checked 64 Bit Build Environment
  • Windows XP checked Build Environment
  • Windows XP free 64 Bit Build Environment
  • Windows XP free Build Environment

build指令一開始呼叫Build.exe編譯連結器，從系統「環境變數」（Environment Variable）Include中得到參照檔案的地址，然後呼叫Visual C++的編譯連結器Nmake.exe進行實際的編譯連結工作。在編譯過程中遇到的錯誤，遇到的警告，會記錄到buildxxx.log，buildxxx.wrn，buildxxx.err等檔案中。

安裝

安裝過程分成兩個步驟：

  • 首先將編譯成的.sys檔案複製到Windows NT的System32\\Drivers\\目錄下；
  • 接着在Registry的HKEY_LOCAL_MACHINE\\SYSTEM\\CurrentControlSet\\Services\\下建立和.sys檔案同名的鍵，然後在之下建立名為Start、Type、ErrorControl的三種REG_DWORD類型的鍵值。

範例

Microsoft DDK提供了大量的WDM範例（samples）參考，這些範例隨着DDK的安裝，會進駐我們的系統之中（WINDDK\xx00\src）。一般人不大可能從輪子造起一個新的驅動程式，大部份要靠「既有的範例」來改良一個新的驅動程式。

  • 1394
  • Audio
  • AVStream
  • filesys
  • general
  • hid
  • input
  • ir
  • kernel

批評

  • WDM學習曲線過長。
  • 電源管理（power management）事件與隨插即用（Plug-and-play）差異太大。導致系統的睡眠（sleep）與清醒（wake up）狀態容易產生問題。
  • I/O cancellation幾乎不可能達成。
  • 每支驅動程式動輒要撰寫數千行的程式碼。
  • 不支援純用戶模式（pure user-mode）驅動程式。

相關條目

外部連結

參考

  • Walter Oney，《Windows Driver Model》
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