設備驅動程序應用方式分析

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編者按：本論文主要從異步過程調用；事件方式；消息方式；異步I/O方式；事件方式等進行講述，包括了為了保證操作系統的安全性和穩定性以及應用程序的可移植性、Win32應用程序創建一個事件的句柄、Win32應用程序首先調用CreateFile()函數加載設備驅動程序、Win32應用程序首先創建一個事件，然后將該事件句柄傳給設備驅動程序等，具體資料請見：

論文關鍵詞:設備驅動程序異步I/OVirtualDeviceDriver（VxD）WindowsDriverModel（WDM）

論文摘要:在目前流行的Windows操作系統中，設備驅動程序是操縱硬件的最底層軟件接口。為了共享在設備驅動程序設計過程中的經驗，給出設備驅動程序通知應用程序的5種方法，詳細說明每種方法的原理和實現過程，希望能夠給設備驅動程序的設計者提供一些幫助。

為了保證操作系統的安全性和穩定性以及應用程序的可移植性，Windows操作系統不允許應用程序直接訪問系統的硬件資源，而是必須借助于相應的設備驅動程序。設備驅動程序可以直接操作硬件，如果應用程序和設備驅動程序之間實現了雙向通信，也就達到了應用程序控制底層硬件設備的目的。它們之間的通信包括兩個方面：一方面是應用程序傳送給設備驅動程序的數據；另一方面是設備驅動程序發送給應用程序的消息。前者的實現較容易，通過CreateFile()函數獲取設備驅動程序的句柄后，就可以使用Win32函數，如DeviceIoControl()、ReadFile()或WriteFile()等實現應用程序與設備驅動程序之間的通信。后者的實現遠比前者復雜，同時介紹這方面情況的文章較少。這不等于說它不重要，相反，它在有些應用場合發揮著重要的作用。設備驅動程序完成數據的采集工作后，需要馬上通知應用程序，以便應用程序能夠及時將數據取走并進行處理。諸如此類情況，不一而足。

鑒于設備驅動程序通知應用程序的重要性，本人結合一些經驗，對它進行了總結，歸納出5種方法：異步過程調用(APC)、事件方式（VxD）、消息方式、異步I/O方式和事件方式(WDM)。下面分別說明這幾種方式的原理，并給出實現的部分源代碼。

1異步過程調用(APC)

Win32應用程序使用CreateFile()函數動態加載設備驅動程序，然后定義一個回調函數backFunc()，并且將回調函數的地址&backFunc()作為參數，通過DeviceIoControl()傳送給設備驅動程序。設備驅動程序獲得回調函數的地址后，將它保存在一個全局變量（如callback）中，同時調用Get_Cur_Thread_Handle()函數獲取它的應用程序線程的句柄，并且將該句柄保存在一個全局變量（如appthread）中。當條件成熟時，設備驅動程序調用_VWIN32_QueueUserApc()函數，向Win32應用程序發送消息。這個函數帶有三個參數：第一個參數為回調函數的地址（已經注冊）；第二個參數為傳遞給回調函數的消息；第三個參數為調用者的線程句柄（已經注冊）。Win32應用程序收到消息后，自動調用回調函數（實際是由設備驅動程序調用）。回調函數的輸入參數是由設備驅動程序填入的，回調函數在這里主要是對消息進行處理。

2事件方式（VxD）

首先，Win32應用程序創建一個事件的句柄，稱其為Ring3句柄。由于虛擬設備驅動程序使用事件的Ring0句柄，因此，需要創建Ring0句柄。用LoadLibrary()函數加載未公開的動態鏈接庫Kernel32.dll，獲得動態鏈接庫的句柄。然后，調用GetProcAddress(),找到函數OpenVxDHandle()在動態鏈接庫中的位置。接著，用OpenVxDHandle()函數將Ring3事件句柄轉化為Ring0事件句柄。Win32應用程序用CreateFile()函數加載設備驅動程序。如果加載成功，則調用DeviceIoControl()函數將Ring0事件句柄傳給VxD；同時，創建一個輔助線程等待信號變成有信號狀態，本身則可去干其它的事情。當條件成熟時，VxD置Ring0事件為有信號狀態（調用_VWIN32_SetWin32Event()函數），這馬上觸發對應的Ring3事件為有信號狀態。一旦Ring3事件句柄為有信號狀態，Win32應用程序的輔助線程就對這個消息進行相應的處理。

3消息方式

Win32應用程序調用CreateFile()函數動態加載虛擬設備驅動程序。加載成功后，通過調用DeviceIoControl()函數將窗體句柄傳送給VxD，VxD利用這個句柄向窗體發消息。當條件滿足時，VxD調用SHELL_PostMessage()函數向Win32應用程序發送消息。要讓該函數使用成功，必須用#define來自定義一個消息，并且也要照樣在應用程序中定義它；還要在消息循環中使用ON_MESSAGE()來定義消息對應的消息處理函數，以便消息產生時，能夠調用消息處理函數。SHELL_PostMessage()函數的第一個參數為Win32窗體句柄，第二個參數為消息ID號，第三、四個參數為發送給消息處理函數的參數，第五、六個參數為回調函數和傳給它的參數。Win32應用程序收到消息后，對消息進行處理。

4異步I/O方式

Win32應用程序首先調用CreateFile()函數加載設備驅動程序。在調用該函數時，將倒數第2個參數設置為FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_OVERLAPPED，表示以后可以對文件進行重疊I/O操作。當設備驅動程序文件創建成功后，創建一個初始態為無信號、需要手動復位的事件，并且將這個事件傳給類型為OVERLAPPED的數據結構（如Overlapped）。然后，將Overlapped作為一個參數，傳給DeviceIoControl()函數。設備驅動程序把這個I/O請求包（IRP）設置為掛起狀態，并且設置一個取消例程。如果當前IRP隊列為空，則將這個IRP傳送給StartIo()例程；否則，將它放到IRP隊列中。設備驅動程序做完這些工作后，結束這個DeviceIoControl()的處理，于是Win32應用程序可能不等待IRP處理完，就從DeviceIoControl()的調用中返回。通過判斷返回值，得到IRP的處理情況。如果當前IRP處于掛起狀態，則主程序先做一些其它的工作，然后調用WaitForSingleObject()或WaitForMultipleObject()函數等待Overlapped中的事件成為有信號狀態。設備驅動程序在適當的時候處理排隊的IRP，處理完成后，調用IoCompleteRequest()函數。該函數將Overlapped中的事件設置為有信號狀態。Win32應用程序對這個事件馬上進行響應，退出等待狀態，并且將事件復位為無信號狀態，然后調用GetOverlappedResult()

函數獲取IRP的處理結果。

5事件方式（WDM）

Win32應用程序首先創建一個事件，然后將該事件句柄傳給設備驅動程序，接著創建一個輔助線程，等待事件的有信號狀態，自己則接著干其它事情。設備驅動程序獲得該事件的句柄后，將它轉換成能夠使用的事件指針，并且把它寄存起來，以便后面使用。當條件具備后，設備驅動程序將事件設置為有信號狀態，這樣應用程序的輔助線程馬上知道這個消息，于是進行相應的處理。當設備驅動程序不再使用這個事件時，應該解除該事件的指針。

6結語

在目前流行的Windows操作系統中，設備驅動程序是操縱硬件的最底層軟件接口。它向上提供與硬件無關的用戶接口，向下直接進行I/O、硬件中斷、DMA和內存訪問等操作。它將應用程序與硬件細節屏蔽開來，使軟件不依賴于硬件并且可在多個不同的平臺之間移植。本文介紹了5種設備驅動程序通知應用程序的方法，其中前3種方法主要用于VxD中，后2種方法主要用于WDM。這5種方法都經過實際測試。測試結果表明，它們都能夠達到設備驅動程序通知應用程序的目的。