Windows驱动开发技术详解

第1篇 入门篇

第1章 从两个最简单的驱动谈起 2

1.1 DDK的安装 2

1.2 第一个驱动程序HelloDDK的代码分析 3

1.2...

第1篇 入门篇

第1章 从两个最简单的驱动谈起 2

1.1 DDK的安装 2

1.2 第一个驱动程序HelloDDK的代码分析 3

1.2.1 HelloDDK的头文件 4

1.2.2 HelloDDK的入口函数 5

1.2.3 创建设备例程 6

1.2.4 卸载驱动例程 8

1.2.5 默认派遣例程 9

1.3 HelloDDK的编译和安装 9

1.3.1 用DDK环境编译HelloDDK 9

1.3.2 用VC集成开发环境编译HelloDDK 11

1.3.3 HelloDDK的安装 14

1.4 第二个驱动程序HelloWDM的代码分析 16

1.4.1 HelloWDM的头文件 16

1.4.2 HelloWDM的入口函数 17

1.4.3 HelloWDM的AddDevice例程 18

1.4.4 HelloWDM处理PNP的回调函数 20

1.4.5 HelloWDM对PNP的默认处理 22

1.4.6 HelloWDM对IRP_MN_REMOVE_DEVICE的处理 23

1.4.7 HelloWDM对其他IRP的回调函数 23

1.4.8 HelloWDM的卸载例程 24

1.5 HelloWDM的编译和安装 24

1.5.1 用DDK编译环境编译HelloWDM 24

1.5.2 HelloWDM的编译过程 25

1.5.3 安装HelloWDM 25

1.6 小结 29

第2章 Windows操作驱动的基本概念 31

2.1 Windows操作系统概述 31

2.1.1 Windows家族 31

2.1.2 Windows特性 32

2.1.3 用户模式和内核模式 34

2.1.4 操作系统与应用程序 36

2.2 操作系统分层 37

2.2.1 Windows操作系统总体架构 37

2.2.2 应用程序与Win32子系统 38

2.2.3 其他环境子系统 40

2.2.4 Native API 41

2.2.5 系统服务 41

2.2.6 执行程序组件 42

2.2.7 驱动程序 44

2.2.8 内核 44

2.2.9 硬件抽象层 45

2.2.10 Windows与微内核 45

2.3 从应用程序到驱动程序 46

2.4 小结 48

第3章 Windows驱动编译环境配置、安装及调试 49

3.1 用C语言还是用C++语言 49

3.1.1 调用约定 50

3.1.2 函数的导出名 52

3.1.3 运行时函数的调用 53

3.2 用DDK编译环境编译驱动程序 54

3.2.1 编译版本 55

3.2.2 nmake工具 55

3.2.3 build工具 56

3.2.4 makefile文件 57

3.2.5 dirs文件 58

3.2.6 sources文件 58

3.2.7 makefile.inc文件 59

3.2.8 build工具的环境变量 60

3.2.9 build工具的命令行参数 61

3.3 用VC编译驱动程序 62

3.3.1 建立驱动程序工程 62

3.3.2 修改编译选项 62

3.3.3 修改链接选项 63

3.3.4 其他修改 64

3.3.5 VC编译小结 65

3.4 查看调试信息 66

3.4.1 打印调试语句 66

3.4.2 查看调试语句 67

3.5 手动加载NT式驱动 68

3.6 编写程序加载NT式驱动 68

3.6.1 SCM组件和Windows服务 69

3.6.2 加载NT驱动的代码 71

3.6.3 卸载NT驱动的代码 74

3.6.4 实验 76

3.7 WDM式驱动的加载 78

3.7.1 WDM的手动安装 78

3.7.2 简单的INF文件剖析 79

3.8 WDM设备安装在注册表中的变化 81

3.8.1 硬件子键 81

3.8.2 类子键 83

3.8.3 服务子键 85

3.9 小结 86

第4章 驱动程序的基本结构 87

4.1 Windows驱动程序中重要的数据结构 87

4.1.1 驱动对象（DRIVER_OBJECT） 87

4.1.2 设备对象（DEVICE_OBJECT） 89

4.1.3 设备扩展 91

4.2 NT式驱动的基本结构 92

4.2.1 驱动加载过程与驱动入口函数（DriverEntry） 92

4.2.2 创建设备对象 95

4.2.3 DriverUnload例程 97

4.2.4 用WinObj观察驱动对象和设备对象 98

4.2.5 用DeviceTree观察驱动对象和设备对象 101

4.3 WDM式驱动的基本结构 102

4.3.1 物理设备对象与功能设备对象 102

4.3.2 WDM驱动的入口程序 104

4.3.3 WDM驱动的AddDevice例程 105

4.3.4 DriverUnload例程 107

4.3.5 对IRP_MN_REMOVE_DEVICE IRP的处理 108

4.3.6 用Device Tree查看WDM设备对象栈 109

4.4 设备的层次结构 110

4.4.1 驱动程序的垂直层次结构 111

4.4.2 驱动程序的水平层次结构 112

4.4.3 驱动程序的复杂层次结构 112

4.5 实验 114

4.5.1 改写HelloDDK查看驱动结构 114

4.5.2 改写HelloWDM查看驱动结构 116

4.6 小结 117

第5章 Windows内存管理 118

5.1 内存管理概念 118

5.1.1 物理内存概念（Physical Memory Address） 118

5.1.2 虚拟内存地址概念（Virtual Memory Address） 119

5.1.3 用户模式地址和内核模式地址 120

5.1.4 Windows驱动程序和进程的关系 121

5.1.5 分页与非分页内存 122

5.1.6 分配内核内存 123

5.2 在驱动中使用链表 124

5.2.1 链表结构 124

5.2.2 链表初始化 125

5.2.3 从首部插入链表 126

5.2.4 从尾部插入链表 126

5.2.5 从链表删除 127

5.2.6 实验 129

5.3 Lookaside结构 130

5.3.1 频繁申请内存的弊端 130

5.3.2 使用Lookaside 130

5.3.3 实验 132

5.4 运行时函数 133

5.4.1 内存间复制（非重叠） 133

5.4.2 内存间复制（可重叠） 134

5.4.3 填充内存 134

5.4.4 内存比较 135

5.4.5 关于运行时函数使用的注意事项 135

5.4.6 实验 137

5.5 使用C++特性分配内存 137

5.6 其他 139

5.6.1 数据类型 139

5.6.2 返回状态值 140

5.6.3 检查内存可用性 142

5.6.4 结构化异常处理（try-except块） 142

5.6.5 结构化异常处理（try-finally块） 144

5.6.6 使用宏需要注意的地方 146

5.6.7 断言 147

5.7 小结 147

第6章 Windows内核函数 148

6.1 内核模式下的字符串操作 148

6.1.1 ASCII字符串和宽字符串 148

6.1.2 ANSI_STRING字符串与UNICODE_STRING字符串 149

6.1.3 字符初始化与销毁 151

6.1.4 字符串复制 152

6.1.5 字符串比较 153

6.1.6 字符串转化成大写 154

6.1.7 字符串与整型数字相互转换 155

6.1.8 ANSI_STRING字符串与UNICODE_STRING字符串相互转换 157

6.2 内核模式下的文件操作 158

6.2.1 文件的创建 158

6.2.2 文件的打开 161

6.2.3 获取或修改文件属性 163

6.2.4 文件的写操作 166

6.2.5 文件的读操作 167

6.3 内核模式下的注册表操作 169

6.3.1 创建关闭注册表 170

6.3.2 打开注册表 172

6.3.3 添加、修改注册表键值 173

6.3.4 查询注册表 175

6.3.5 枚举子项 178

6.3.6 枚举子键 180

6.3.7 删除子项 182

6.3.8 其他 183

6.4 小结 185

第7章 派遣函数 186

7.1 IRP与派遣函数 186

7.1.1 IRP 186

7.1.2 IRP类型 188

7.1.3 对派遣函数的简单处理 188

7.1.4 通过设备链接打开设备 190

7.1.5 编写一个更通用的派遣函数 191

7.1.6 跟踪IRP的利器IRPTrace 193

7.2 缓冲区方式读写操作 196

7.2.1 缓冲区设备 196

7.2.2 缓冲区设备读写 197

7.2.3 缓冲区设备模拟文件读写 200

7.3 直接方式读写操作 203

7.3.1 直接读取设备 204

7.3.2 直接读取设备的读写 205

7.4 其他方式读写操作 207

7.4.1 其他方式设备 207

7.4.2 其他方式读写 208

7.5 IO设备控制操作 209

7.5.1 DeviceIoControl与驱动交互 209

7.5.2 缓冲内存模式IOCTL 210

7.5.3 直接内存模式IOCTL 212

7.5.4 其他内存模式IOCTL 214

7.6 小结 216

第2篇 进阶篇

第8章 驱动程序的同步处理 218

8.1 基本概念 218

8.1.1 问题的引出 218

8.1.2 同步与异步 219

8.2 中断请求级 219

8.2.1 中断请求（IRQ）与可编程中断控制器（PIC） 220

8.2.2 高级可编程控制器（APIC） 221

8.2.3 中断请求级（IRQL） 221

8.2.4 线程调度与线程优先级 222

8.2.5 IRQL的变化 223

8.2.6 IRQL与内存分页 223

8.2.7 控制IRQL提升与降低 224

8.3 自旋锁 224

8.3.1 原理 224

8.3.2 使用方法 225

8.4 用户模式下的同步对象 225

8.4.1 用户模式的等待 226

8.4.2 用户模式开启多线程 226

8.4.3 用户模式的事件 227

8.4.4 用户模式的信号灯 229

8.4.5 用户模式的互斥体 230

8.4.6 等待线程完成 232

8.5 内核模式下的同步对象 232

8.5.1 内核模式下的等待 232

8.5.2 内核模式下开启多线程 234

8.5.3 内核模式下的事件对象 236

8.5.4 驱动程序与应用程序交互事件对象 237

8.5.5 驱动程序与驱动程序交互事件对象 239

8.5.6 内核模式下的信号灯 240

8.5.7 内核模式下的互斥体 241

8.5.8 快速互斥体 243

8.6 其他同步方法 244

8.6.1 使用自旋锁进行同步 245

8.6.2 使用互锁操作进行同步 247

8.7 小结 249

第9章 IRP的同步 250

9.1 应用程序对设备的同步异步操作 250

9.1.1 同步操作与异步操作原理 250

9.1.2 同步操作设备 252

9.1.3 异步操作设备（方式一） 253

9.1.4 异步操作设备（方式二） 254

9.2 IRP的同步完成与异步完成 256

9.2.1 IRP的同步完成 256

9.2.2 IRP的异步完成 257

9.2.3 取消IRP 262

9.3 StartIO例程 264

9.3.1 并行执行与串行执行 264

9.3.2 StartIO例程 265

9.3.3 示例 267

9.4 自定义的StartIO 270

9.4.1 多个串行化队列 270

9.4.2 示例 271

9.5 中断服务例程 273

9.5.1 中断操作的必要性 273

9.5.2 中断优先级 274

9.5.3 中断服务例程（ISR） 274

9.6 DPC例程 275

9.6.1 延迟过程调用例程（DPC） 275

9.6.2 DpcForISR 275

9.7 小结 276

第10章 定时器 277

10.1 定时器实现方式一 277

10.1.1 I/O定时器 277

10.1.2 示例代码 278

10.2 定时器实现方式二 280

10.2.1 DPC定时器 280

10.2.2 示例代码 282

10.3 等待 284

10.3.1 第一种方法：使用KeWaitForSingleObject 284

10.3.2 第二种方法：使用KeDelayExecutionThread 285

10.3.3 第三种方法：使用KeStallExecutionProcessor 285

10.3.4 第四种方法：使用定时器 286

10.4 时间相关的其他内核函数 286

10.4.1 时间相关函数 286

10.4.2 示例代码 288

10.5 IRP的超时处理 289

10.5.1 原理 289

10.5.2 示例代码 289

10.6 小结 291

第11章 驱动程序调用驱动程序 292

11.1 以文件句柄形式调用其他驱动程序 292

11.1.1 准备一个标准驱动 292

11.1.2 获得设备句柄 294

11.1.3 同步调用 295

11.1.4 异步调用方法一 297

11.1.5 异步调用方法二 299

11.1.6 通过符号链接打开设备 301

11.2 通过设备指针调用其他驱动程序 303

11.2.1 用IoGetDeviceObjectPointer获得设备指针 304

11.2.2 创建IRP传递给驱动的派遣函数 305

11.2.3 用IoBuildSynchronousFsdRequest创建IRP 306

11.2.4 用IoBuildAsynchronousFsdRequest创建IRP 308

11.2.5 用IoAllocateIrp创建IRP 311

11.3 其他方法获得设备指针 314

11.3.1 用ObReferenceObjectByName获得设备指针 314

11.3.2 剖析IoGetDeviceObjectPointer 317

11.4 小结 318

第12章 分层驱动程序 319

12.1 分层驱动程序概念 319

12.1.1 分层驱动程序的概念 319

12.1.2 设备堆栈与挂载 321

12.1.3 I/O堆栈 322

12.1.4 向下转发IRP 323

12.1.5 挂载设备对象示例 324

12.1.6 转发IRP示例 325

12.1.7 分析 326

12.1.8 遍历设备栈 327

12.2 完成例程 330

12.2.1 完成例程概念 330

12.2.2 传播Pending位 332

12.2.3 完成例程返回STATUS_SUCCESS 333

12.2.4 完成例程返回STATUS_MORE_PROCESSING_REQUIRED 334

12.3 将IRP分解成多个IRP 336

12.3.1 原理 336

12.3.2 准备底层驱动 337

12.3.3 读派遣函数 338

12.3.4 完成例程 341

12.3.5 分析 342

12.4 WDM驱动程序架构 344

12.4.1 WDM与分层驱动程序 344

12.4.2 WDM的加载方式 345

12.4.3 功能设备对象 346

12.4.4 物理设备对象 346

12.4.5 物理设备对象与即插即用 348

12.5 小结 349

第13章 让设备实现即插即用 350

13.1 即插即用概念 350

13.1.1 历史原因 350

13.1.2 即插即用的目标 351

13.1.3 Windows中即插即用相关组件 351

13.1.4 遗留驱动程序 352

13.2 即插即用IRP 352

13.2.1 即插即用IRP的功能代码 353

13.2.2 处理即插即用IRP的派遣函数 353

13.3 通过设备接口寻找设备 356

13.3.1 设备接口 356

13.3.2 WDM驱动中设置接口 357

13.3.3 应用程序寻找接口 359

13.3.4 查看接口设备 360

13.4 启动和停止设备 361

13.4.1 为一个实际硬件安装HelloWDM 362

13.4.2 启动设备 364

13.4.3 转发并等待 366

13.4.4 获得设备相关资源 367

13.4.5 枚举设备资源 368

13.4.6 停止设备 372

13.5 即插即用的状态转换 373

13.5.1 状态转换图 373

13.5.2 IRP_MN_QUERY_STOP_DEVICE 374

13.5.3 IRP_MN_QUERY_REMOVE_DEVICE 374

13.6 其他即插即用IRP 375

13.6.1 IRP_MN_FILTER_RESOURCE_REQUIREMENTS 375

13.6.2 IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES 376

13.7 小结 377

第14章 电源管理 378

14.1 WDM电源管理模型 378

14.1.1 概述 378

14.1.2 热插拔 378

14.1.3 电源状态 379

14.1.4 设备状态 379

14.1.5 状态转换 380

14.2 处理IRP_MJ_POWER 381

14.3 处理IRP_MN_QUERY_CAPABILITIES 381

14.3.1 DEVICE_CAPABILITIES 381

14.3.2 一个试验 382

14.4 小结 384

第3篇 实用篇

第15章 I/O端口操作 386

15.1 概述 386

15.1.1 从DOS说起 386

15.1.2 汇编实现 387

15.1.3 DDK实现 389

15.2 工具软件WinIO 390

15.2.1 WinIO简介 390

15.2.2 使用方法 390

15.3 端口操作实现方法一 391

15.3.1 驱动端程序 391

15.3.2 应用程序端程序 393

15.4 端口操作实现方法二 394

15.4.1 驱动端程序 394

15.4.2 应用程序端程序 396

15.5 端口操作实现方法三 397

15.5.1 驱动端程序 397

15.5.2 应用程序端程序 398

15.6 端口操作实现方法四 399

15.6.1 原理 399

15.6.2 驱动端程序 400

15.6.3 应用程序端程序 401

15.7 驱动PC喇叭 402

15.7.1 可编程定时器 402

15.7.2 PC喇叭 403

15.7.3 操作代码 404

15.8 操作并口设备 405

15.8.1 并口设备简介 405

15.8.2 并口寄存器 406

15.8.3 并口设备操作 408

15.9 小结 410

第16章 PCI设备驱动 411

16.1 PCI总线协议 411

16.1.1 PCI总线简介 411

16.1.2 PCI配置空间简介 412

16.2 访问PCI配置空间方法一 414

16.2.1 两个重要寄存器 414

16.2.2 示例 415

16.3 访问PCI配置空间方法二 417

16.3.1 DDK函数读取配置空间 417

16.3.2 示例 418

16.4 访问PCI配置空间方法三 419

16.4.1 通过即插即用IRP获得PCI配置空间 420

16.4.2 示例 420

16.5 访问PCI配置空间方法四 421

16.5.1 创建IRP_MN_READ_CONFIG 422

16.5.2 示例 422

16.6 PCI设备驱动开发示例 423

16.6.1 开发步骤 424

16.6.2 中断操作 424

16.6.3 操作设备物理内存 425

16.6.4 示例 426

16.7 小结 429

第17章 USB设备驱动 430

17.1 USB总线协议 430

17.1.1 USB设备简介 430

17.1.2 USB连接拓扑结构 431

17.1.3 USB通信的流程 433

17.1.4 USB四种传输模式 435

17.2 Windows下的USB驱动 438

17.2.1 观察USB设备的工具 438

17.2.2 USB设备请求 440

17.2.3 设备描述符 440

17.2.4 配置描述符 442

17.2.5 接口描述符 443

17.2.6 端点描述符 443

17.3 USB驱动开发实例 444

17.3.1 功能驱动与物理总线驱动 444

17.3.2 构造USB请求包 445

17.3.3 发送USB请求包 446

17.3.4 USB设备初始化 447

17.3.5 USB设备的插拔 447

17.3.6 USB设备的读写 448

17.4 小结 450

第18章 SDIO设备驱动 451

18.1 SDIO协议 451

18.1.1 SD内存卡概念 451

18.1.2 SDIO卡概念 452

18.1.3 SDIO总线 452

18.1.4 SDIO令牌 453

18.1.5 SDIO令牌格式 455

18.1.6 SDIO的寄存器 456

18.1.7 CMD52命令 458

18.1.8 CMD53命令 459

18.2 SDIO卡驱动开发框架 459

18.2.1 SDIO Host Controller驱动 459

18.2.2 SDIO卡的初始化 460

18.2.3 中断回调函数 461

18.2.4 获得和设置属性 462

18.2.5 CMD52 464

18.2.6 CMD53 465

18.3 SDIO开发实例 467

18.4 小结 467

第19章 虚拟串口设备驱动 469

19.1 串口简介 469

19.2 DDK串口开发框架 470

19.2.1 串口驱动的入口函数 470

19.2.2 应用程序与串口驱动的通信 473

19.2.3 写的实现 475

19.2.4 读的实现 477

19.3 小结 478

第20章 摄像头设备驱动程序 479

20.1 WDM摄像头驱动框架 479

20.1.1 类驱动与小驱动 479

20.1.2 摄像头的类驱动与小驱动 480

20.1.3 编写小驱动程序 480

20.1.4 小驱动的流控制 481

20.2 虚拟摄像头开发实例 482

20.2.1 编译和安装 482

20.2.2 虚拟摄像头入口函数 484

20.2.3 对STREAM_REQUEST_BLOCK的处理函数 485

20.2.4 打开视频流 487

20.2.5 对视频流的读取 488

20.3 小结 489

第4篇 提高篇

第21章 再论IRP 492

21.1 转发IRP 492

21.1.1 直接转发 492

21.1.2 转发并且等待 492

21.1.3 转发并且设置完成例程 494

21.1.4 暂时挂起当前IRP 495

21.1.5 不转发IRP 496

21.2 创建IRP 496

21.2.1 IoBuildDeviceIoControlRequest 497

21.2.2 创建有超时的IOCTL IRP 498

21.2.3 用IoBuildSynchronousFsdRequest创建IRP 499

21.2.4 关于IoBuildAsynchronousFsdRequest 501

21.2.5 关于IoAllocateIrp 502

21.3 小结 505

第22章 过滤驱动程序 506

22.1 文件过滤驱动程序 506

22.1.1 过滤驱动程序概念 506

22.1.2 过滤驱动程序的入口函数 506

22.1.3 U盘过滤驱动程序 509

22.1.4 过滤驱动程序加载方法一 510

22.1.5 过滤驱动程序加载方法二 511

22.1.6 过滤驱动程序的AddDevice例程 512

22.1.7 磁盘命令过滤 513

22.2 NT式过滤驱动程序 516

22.2.1 NT式过滤驱动程序 516

22.2.2 NT过滤驱动的入口函数 517

22.2.3 挂载过滤驱动 517

22.2.4 过滤键盘读操作 518

22.3 小结 520

第23章 高级调试技巧 521

23.1 一般性调试技巧 521

23.1.1 打印调试信息 521

23.1.2 存储dump信息 521

23.1.3 使用WinDbg调试工具 522

23.2 高级内核调试技巧 524

23.2.1 安装VMWare 525

23.2.2 在虚拟机上加载驱动程序 526

23.2.3 VMWare和WinDbg联合调试驱动程序 527

23.3 用IRPTrace调试驱动程序 528

23.4 小结 530