2017/08/10

Windows Driver 開發學習筆記

延伸閱讀: 本站另一文 Video and Graphic windows driver 驅動程式開發筆記

眾所周知， 早期的Windows 95/98的設備驅動是VxD(Virtual Device Driver)，其中x表示某一類設備。從Windows 2000開始，開發驅動程序必以WDM（Windows Driver Model）為基礎的，但是，如果使用DDK來開發WDM，其開發難度之大，根本不能奢望像用戶模式應用程序開發那樣容易，因此，一般用戶都是使用WinDriver、DriverStudio之類的第三方工具。

為改善這種局面，從Vista開始，微軟推出了新的驅動程序開發環境WDF（Windows Driver Foundation ）。 WDF和WDM的關係有點類似於MFC和Windows SDK的關係,有編程經驗的人一看就知道為何WDF開發比WDM容易了。

微軟有寫了基本概要, 先看看原廠介紹吧! 然後根據每個小課程的練習與實作, 應該就會慢慢進步了解!
連結:Windows programming guide for driver technologies

先安裝環境吧!

設置編譯環境 – 開發環境安裝Visual Studio, Windows SDK, 以及Windows driver kit(WDK)

寫出你的第一個驅動程式吧!

Write your first driver

WDF 有KMDF和UMDF兩種模式：

  • 內核模式驅動程序 KMDF（Kernel-Mode Driver Framework）：這類驅動程序作為內核模式操作系統組件的一部分執行，它們管理I/O、即插即用、內存、進程和線程、安全等。內核模式驅動程序通常為分層結構。關於KMDF更多的內容，可參閱 MSDN中“Getting Started with Kernel-Mode Driver Framework ”。
  • 用戶模式驅動程序 UMDF（User-Mode Driver Framework）：這類驅動程序通常提供 Win32 應用程序與內核模式驅動程序或其他操作系統組件之間的接口。用戶模式驅動程序支持基於協議或基於串行總線（如攝像機和便攜音樂播放器）的設備。關於UMDF更多的內容，可參閱 MSDN中“ Introduction to UMDF“。
  • 無論內核模式的驅動程序或者用戶模式的驅動程序，都使用同一環境進行構建，這一環境稱為WDK；都採用同一套對像模型構建，採用同一個基礎承載，這個基礎就是WDF。由於WDF驅動模型提供了面向對象和事件驅動的驅動程序開發框架，大大降低了開發難度。從現在開始，掌握Windows設備驅動程序的開發人員，由過去的“專業”人士，將變為“普通”大眾。因此，像WinDriver、DriverStudio之類的第三方工具也隨之退出歷史舞台。
  • KMDF是Windows系統底層驅動，文件名為：*.SYS，Vista為2萬多外設提供了KMDF，其中也包括USB2.0，因此對於具有USB2.0協議的FX2，只需編寫與FX2相關的UMDF即可；
    UMDF是用戶層驅動，文件名為：*.DLL。

程式進入點 DriverEntry

(轉自steward-fu)
Windows Driver Framework(WDF)是新型的驅動程式架構並且分成Kernel Mode Driver Framework(KMDF)和User Mode Driver Framework(UMDF)兩種架構，UMDF是跑在User Mode的Driver；而KMDF則是跑在Kernel Mode，所以KMDF的行為以及寫法會跟WDM很相似，畢竟KMDF是一個重新包裝WDM架構的驅動程式，所以很多WDM的東西還是可以共用的，但是KMDF的誕生畢竟是為了簡化WDM的複雜性，如果要寫KMDF驅動程式就遵照KMDF建議的方式製作，之後維護程式的人也比較清楚關係，畢竟很多人還是從KMDF開始學習驅動程式，並非是從WDM開始學習。

KMDF的驅動程式又分成PnP(Plug and Play)和Non-PnP兩種類型，PnP類型的驅動程式主要負責的職務是跟支援隨插即用的裝置溝通，其類型大致上有：USB、1394、PCI等隨插即用裝置，而相較於PnP類型的驅動程式，Non-PnP類型的驅動程式並不支援隨插即用的IRP(I/O Request Packet)，系統當然也不會發送隨插即用的IRP到Non-PnP驅動程式，因為Non-PnP主要支援非隨插即用裝置，因此相關的隨插即用資源是無法存取的，但是還是可以存取Legacy硬體I/O，而KMDF的PnP跟Non-PnP驅動程式，其實就是WDM和Legacy類型的驅動程式。

不管是KMDF(PnP、Non-PnP)、WDM或Legacy驅動程式，它們的程式進入點一律是DriverEntry()，而且格式是一樣的，定義如下：

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT, PUNICODE_STRING);

系統載入驅動程式時會呼叫DriverEntry()並帶入兩個參數，第一個PDRIVER_OBJECT是Driver Object指標，該指標會包含驅動程式物件的所有資訊，當然有些欄位是不允許使用者更改的，而另一個參數PUNICODE_STRING則是Registry Path，每個驅動程式在安裝時，都會產生一個註冊表項目，該項目就是當Windows啟動時要載入用的，所以註冊表亂更改時，驅動程式可能就不會被正確載入。

需要注意的是，就算有相同的裝置載入同一份驅動程式，則Driver Object也僅會只有一份，那這一些相同裝置的驅動程式資料不就會亂掉嗎？答案是：不會的，因為會有多份Device Oject，每個Device Object各代表不同的裝置。那DriverEntry()需要做哪一些事情呢？做法跟WDM是很類似的，都需要註冊Callback副程式，差别只是呼叫API不一樣，因為KMDF使用了事件、屬性、訊息當作處理的核心機制，其實有點像Windows的視窗程式寫法。範例:

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT pDrvObj, PUNICODE_STRING pRegPath){ WDF_DRIVER_CONFIG config; NTSTATUS status;  WDF_DRIVER_CONFIG_INIT(&config, AddDevice); status = WdfDriverCreate(pDrvObj, pRegPath, WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES, &config, WDF_NO_HANDLE); if(!NT_SUCCESS(status)){  DbgPrint("WdfDriverCreate failed 0x%x\n", status);  return status; } return STATUS_SUCCESS;}

上面的程式只註冊AddDevice Callback副程式，其餘Callback交給預設的KMDF副程式處理，很簡短吧！該程式是透過WDF_DRIVER_CONFIG_INIT()做Callback初始化，該副程式看起來很簡單，但是怕該副程式隱藏很多細節，所以司徒將它的內容貼出來看一下

VOID FORCEINLINE WDF_DRIVER_CONFIG_INIT(OUT PWDF_DRIVER_CONFIG Config, IN PFN_WDF_DRIVER_DEVICE_ADD EvtDriverDeviceAdd){ RtlZeroMemory(Config, sizeof(WDF_DRIVER_CONFIG)); Config->Size = sizeof(WDF_DRIVER_CONFIG); Config->EvtDriverDeviceAdd = EvtDriverDeviceAdd;}

WDF_DRIVER_CONFIG_INIT()看來只有做記憶體初始化跟Config結構的初始化，算是很簡單的初始化而已。
初始化完Config結構後，程式接著使用WdfDriverCreate()產生Framework Driver Object，這個地方就跟WDM不一樣，WDM不需要產生Driver Object，而KMDF因為核心是採用WDM的架構，所以需要建立另一組資料給KMDF使用，另外要注意的是DriverEntry()回傳值的部分，因為回傳值會決定載入驅動程式的成功或失敗。KMDF相較於WDM的架構，真是越來越簡潔，但是，沒有WDM基礎的使用者，司徒覺得對於除錯以及詳細原理會越來越難搞清楚，畢竟包裝太多WDM的東西，看似簡單，卻是隱藏很多細節，對於初學者或經驗不足的使用者，細節完全不懂時，很難Debug比較難的問題。

AddDevice

當系統找到符合的裝置(透過INF檔案安裝)且驅動程式被系統載入後，AddDevice()就會被系統呼叫，而AddDevice()是在DriverEntry()裡面註冊的，所以系統才會知道AddDevice()位於何處，名稱不一定要用AddDevice，但是參數跟回傳值必須遵照Microsoft的定義，否則會有問題。
AddDevice()副程式定義如下：

NTSTATUS AddDevice(PDRIVER_OBJECT, PDEVICE_OBJECT);

傳入的PDRIVER_OBJECT是該驅動程式的Driver Object，而PDEVICE_OBJECT則是位於下層的驅動程式Device Object，WDM驅動程式的架構是使用堆疊方式做驅動程式的添加、刪除，例如：如果使用者寫的是USB驅動程式，則下層可能就是USB Bus驅動程式，如果使用者寫的驅動程式只是一個虛擬的純軟體驅動程式，那麼下層驅動程式就是I/O Manager，由於使用堆疊的架構，所以WDM驅動程式又可以加入Upper Filter、Lower Filter Driver，Filter Driver的目的是提供I/O Request Packet(IRP)修改的功能，達到不需更改原始的驅動程式就可以做錯誤修正。

那在AddDevice()需要做什麼事情呢？一般會產生一個新的Device Object並為該Device Object建造一條Symbolic Link，該Symbolic Link就是提供給User Mode的應用程式開啟(僅能使用CreateFile() API開啟)，還記得呼叫CreateFile()時會提供一個名字嗎？若記得的話，此名字就是驅動程式的Symbolic Link名稱。那問題又來了，有沒有可能裝置會使用同一個Symbolic Link名字呢？答案是，肯定會發生的，所以Microsoft建議大家使用GUID的方式註冊，而系統將會自動產生一個唯一的名稱給該註冊的裝置，如果是這樣的話，那User Mode的應用程式如何開啟驅動程式呢？這時候就必須使用Setup API做GUID列舉並取得Symbolic Link名稱，哪一種方式比較好呢？如果是使用Symbolic Link註冊名稱，User Mode應用程式比較好寫，因為名稱已經知道了，反之，使用GUID註冊的話，User Mode應用程式需要列舉判斷後才能開啟，所以會比較不好寫，但是優點則是名稱不會衝突。
範例

PDEVICE_OBJECT gNextDevice=NULL; NTSTATUS AddDevice(PDRIVER_OBJECT pOurDriver, PDEVICE_OBJECT pPhyDevice){  PDEVICE_OBJECT pOurDevice;  UNICODE_STRING usDeviceName;  UNICODE_STRING usSymboName;   // step 1. create new device and symbolic link  RtlInitUnicodeString(&usDeviceName, L"\\Device\\firstWDM");  RtlInitUnicodeString(&usSymboName, L"\\DosDevices\\firstWDM");  IoCreateDevice(pDrvObj, 0, &usDeviceName, FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0, FALSE, &pOurDevice);  IoCreateSymbolicLink(&usSymboName, &usDeviceName);   // step 2. attach to driver stack and save the next object for later use  gNextDevice = IoAttachDeviceToDeviceStack(pOurDevice, pPhyDevice);   // step 3. initialize device object flags  pOurDevice->Flags&= ~DO_DEVICE_INITIALIZING;  pOurDevice->Flags|= DO_BUFFERED_IO;  return STATUS_SUCCESS;}
  • Step 1 產生一個Device Object(可自己決定名稱)，然後建立一條Symbolic Link(可自己決定名稱)，Device Object名稱一般是放在Windows特殊資料夾中的Device資料夾，使用者可以使用WinObj程式去查看有哪些Device Object，而Symbolic Link的名稱則是放在DosDevices資料夾(GLOBAL??)，那應用程式該如何把完整路徑名稱給CreateFile()呢？答案是加上\.\\關鍵字，有印象開啟COM Port時需要使用這樣CreateFile(“\\.\\\\COM1”, …);的方式嗎？這就是代表完整路徑的意思，在寫COM Port程式時，不一定說是要大於COM9才能加\.\\路徑，其實從COM1就可以開始使用。
  • Step 2 把剛剛產生完的Device Object附加到下層Device Object的堆疊，這樣才可以開始處理I/O Request Packet(IRP)。
  • Step 3 初始化相關旗標，讓PnP Manager知道Device Object已經初始化完畢，比較需要注意的是DO_BUFFERED_IO旗標，因為在做裝置讀寫時，User Mode應用程式跟驅動程式是否共用同一塊Buffer是取決於該旗標，如果使用者設定成DO_BUFFERED_IO，則代表驅動程式有自己獨立一塊Buffer，驅動程式讀取完硬體資料後，會複製到它自己的Buffer，然後再複製到User Mode應用程式的Buffer，所以速度會比較慢一些，如果要共用同一塊Buffer的話，則把旗標設定成DO_DIRECT_IO即可。

DriverUnload

當驅動程式準備被系統卸載時，DriverUnload()會被系統呼叫，這是驅動程式最後可以釋放資源的地方，若沒有適當的釋放資源，則驅動程式無法被卸載，遇到這種狀況時，系統會提示需要重新開機才可以正確卸載驅動程式。DriverUnload()副程式定義如下：

void DriverUnload(PDRIVER_OBJECT);

因為WDM驅動程式會收到PnP Remove Device的IRP，所以當系統要卸載驅動程式時，系統會呼叫PnP Callback副程式並帶入IRP_MN_REMOVE_DEVICE(IRP_MJ_PNP)，WDM驅動程式一般會在那個地方釋放資源;

若是Legacy驅動程式，因為裝置物件是在DriverEntry()產生，加上又沒有IRP_MN_REMOVE_DEVICE IRP，所以必須在DriverUnload()釋放資源。範例:

void DriverUnload(PDRIVER_OBJECT pOurDriver){}

WDM驅動程式的DriverUnload()一般不做任何事情，因為釋放資源的地方已經改到IRP_MN_REMOVE_DEVICE的地方，原因在於WDM驅動程式的資源配置是在AddDevice()配置，所以釋放資源的地方就變成是收到IRP_MN_REMOVE_DEVICE時才移除之前配置的資源。

手動安裝 *.inf, *.sys 與.dll 檔案

KMDF是Windows系統底層驅動，文件名為：*.SYS
安裝一般驅動程式有 *.inf 及 *.sys 檔案，步驟如下：
1. 將驅動程式的INF 檔copy到System32 Inf 底下（如 C：\Windows\inf\ ，注意：這個目錄可能是隱藏的！）, 將SYS檔copy 到driver 底下(如 C:\windows\system32\driver\),
2. 啟動Device Manager 或重開機就會自動安裝

UMDF是用戶層驅動，文件名為：*.DLL
安裝 DLL 元件，步驟如下：
將 DLL 組件先複製到 C:\Windows\System32 目錄下
然後進入命令提示字元執行 regsvr32 xxxxxx.dll 指令

系統檔案什麼是SysWow64? 什麼是system32 目錄?

老麟October 26, 2011
64位的Windows並不是簡單地把所有東西都編譯成64位就萬事大吉的。關於64位的CPU應該做成什麼樣子，Intel和AMD曾有各自的打算。 AMD的回答直接了當：新的64位處理器，應該能在提高更高處理能力的同時，保持對32位應用程序的兼容性。而Intel則希望藉此機會，把下一代的處理器，設計得更完美。於是，就有了AMD的x86-64（後被稱為amd64）的處理器和Intel的IA-64（安騰）處理器。和amd64不一樣的是，安騰處理器並沒有很好地提供對32位應用程序的支持。具體信息，讀者在網上應該很容易找到，也就不多說了。

Windows作為一個操作系統，自然希望用戶在運行64位操作系統時，也能像以前一樣，運行各種32位應用程序。這一點，在amd64處理器上，相對容易做到。而安騰，幾乎是另外一回事。 （後來Intel也生產了兼容amd64的處理器，但那是後話。）雖然我說“相對”容易做到，但也不是空手套白狼。當操作系統運行在64位時，怎麼才能保證已經存在的32位應用程序以為自己仍然運行在32位系統上呢？微軟的解決方案是：Wow64，全稱是32bit Windows On 64bit Windows（64位Windows上的32位Windows）。

你也可以這樣理解，雖然整個系統是運行在64位模式，但如果一個應該程序是32位的，Windows會在64位的基礎上，加載一個“32位的Windows”。這樣，這個32位應用程序就以為自己是運行在32位的系統之上的。於是，你也可以想像，這就意味著，64位的Windows，不但帶有64位操作系統應有的系統文件，還帶有32位系統應有的系統文件。

我們都知道的是，Windows系統的主要係統文件都是放在一個叫做System32的文件夾中的。為了能同時放下兩套系統文件，Windows會在64位的系統上，增加了一個文件夾，叫SysWow64。這便有了一個問題，System32和SysWow64裡面，哪個放的是64位的系統文件，哪個放的是32位的系統文件呢？如果你還記得Wow64指的是64位Windows上的32位Windows，那麼，你就能會想到，SysWow64裡放的是32位的系統文件。但你也可能會問，為什麼一個明明叫System32的文件夾裝的是64位的系統文件，而一個明明叫SysWow64的文件夾裝的卻是32位的系統文件呢？既然是64位的系統，為什麼不能有System64和System32這樣的文件夾呢？ 這個問題問得很好。答案也很簡單：人在江湖，身不由己。

兼容性
如果我問你，可曾有多少機會接觸過安騰處理器呢？我想，對於一般人來講，應該是沒有的。那為什麼amd64會大行其道，而安騰處理器卻鮮為人知呢？還是因為一個軟硬件設計上的關鍵概念：兼容性。正是因為安騰處理器，沒有做好對已有的32位系統提供良好的支持，便其一直處於市場的邊緣。這和你不會買一台看不了模擬信號頻道的高清電視是一個道理。

之前我們談到的兼容性，是指在64位Windows上，兼容已經有的32位應用程序。現在考慮另一種兼容性。如果你寫了一個很牛的32位的應用程序，現在，你想把它變成64位的應用程序，以更充分地利用64位處理器所帶來的新的處理能力。你肯定覺得，這不就是讓64位編譯器編譯一遍就完了的事兒麼？可能你發現，這並不是骨感的現實。你突然發現，你的程序裡，為了某些你已經想不起來的原因，把System32這個文件夾，寫死在了你的程序裡。而這個System32中的32，讓你很不安。你嘗試著運行了你的程序，卻發現一切正常。為什麼呢？因為這是Windows系統的另一個兼容性方面的努力：讓一個已有的32位應用程序，不加修改或者盡可能少地加以修改，便可以被編譯成64位應用程序並在64位Windows上運行。

其實，把System32這樣的路徑，寫死在程序裡，並不是一個個案。所以，為了保證這些應用程序可以順利地過渡到64位，Windows最後還是決定讓64位的系統文件放在System32的文件夾下。而讓32位的系統文件，搬到了SysWow64中去。你肯定會想，那讓32位搬到SysWow64中去以後，那些寫死在32位應用程序中的System32怎麼辦？答：Windows會給他們轉向到SysWow64中去。那讓64位中的System32轉向到System64不也是一樣麼？真的一樣麼？不一樣麼？真的一樣麼？不一樣麼？真的不一樣。

作為64位Windows操作系統，當然是希望能充分發揮64位處理器的潛力，讓應用程序更有效率地運行。如果在運行64位應用程序時，總要檢查是否需要轉向，勢必影響程序運行效率。所以，不能給64位應用程序做沒有必要的轉向，如果說必須要轉，那就只能轉32位應用程序了。是的，沒有辦法，在64位操作系統中，32位應用程序要做一些小的犧牲。此外，為了保證32位應用程序不與64位應用程序相衝突，除了System32文件夾外，註冊表也需要為32位和64位提供兩套，也需要讓32位的應用程序在必要時重定向。

結論
所以SysWow64文件夾，是64位Windows，用來存放32位Windows系統文件的地方。

後記
兼容性是一個重要的事情。當然，也是一個很有意思的事情。如果你在Windows 7中運行”winver”，你就會發現，Windows 7原來是Windows 6.1。為什麼呢？事情是這樣的，Windows XP是Windows 5.2，Windows Vista開始變成了6.0，結果，很多應用程序只是檢查操作系統版本號的頭一位，發現不是5，於是就提示用戶說：“我們不支持Windows XP以前的系統”。這也是從Windows Vista的不成功中，學習到的一課。也許，以後永遠都沒有Windows 7.0也未可知啊。

如今的市場上已經找不到只支持32位指令集的X86處理器了，除了極個別老舊PC。當年64位X86處理器爭奪戰中Intel被AMD打個措手不及，後者聯合微軟搶先推出了X86_64指令集，Intel最終也接納了AMD的64位指令集。不過在伺服器市場上，Intel當時跟HP合作推出了安騰（Itanium）處理器，使用的是IA-64指令集體系，不過16年來安騰處理器越來越不受歡迎，Intel日前推出了代號Kittson的安騰9700系列處理器，這是最新但也是最後一代安騰處理器了，後續不再更新了。

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