浅谈 Windows 驱动开发，你会了吗？

1. 前言

最近一段时间一直在研究windows 驱动开发，简单聊聊。

• 对比 linux，windows 驱动无论是市面上的书籍，视频还是社区，博文以及号主，写的人很少，导致学习曲线直线上升。
• windows 驱动 从业 人员就更少了。
• 开发环境部署麻烦。
• 驱动安装发布麻烦，需要数字签名。如果是发布到windows update 库里面，还需要做微标认证。

为什么还要写?因为在学习的过程中，发现很多东西还是很相同的，如果你是从事linux 开发，可能会有些启发，如果是对windows 驱动开发有需求，可能提供一些不成熟的建议。

接下来开始正文，简单介绍下windows 驱动

2. windows 体系架构

2.1 操作系统与应用程序

在许多现代操作系统中，应用程序和操作系统是相互隔离的。操作系统的核心代码运行在特权模式下，即内核模式。而应用程序运行在非特权模式下，即用户模式。

操作系统和应用程序的关心类似于服务器和客户端的关系，这点在windows 平台下显得更加突出：

几个概念：

• system 进程：windows 操作系统本身会起一个 system 进程(加载kernel32.dll)，有点类似于 linux 下的 init进程，具体细节不展开。
• FDO (Function Driver Object)：设备功能驱动
• FiDO (Filter Driver Object)：过滤驱动
• PDO (Physical Driver Object)：物理设备驱动，真正访问硬件的地方。
• IRP (I/O Request Packet)，应用程序 想要访问内核数据，必须通过IRP 传递。又叫IRP请求，当应用程序和驱动交互时，发送一个IRP 请求，IRP 会在各层设备驱动之间来回传动与转发。

2.2 操作系统分层

windows 的设计思想是将内核设计的尽可能的小，并且采用“客户端-服务器”的结构。操作系统各个组件或者模块是通过消息进行通信的。

• win32 子系统：是最纯正的windows 系统，其他子系统都是通过win32 子系统的接口来实现的，一般很少用到。
• Natvie API ：在win32 api 基础上加上Nt 前缀，基于版本兼容考虑
• 系统服务：Native API 从用户模式进入内核模式，调用系统服务。(软中断方式实现，陷入内核)
• 执行组件：内核模式下的一组服务函数。
  • 对象管理程序：windows 操作系统提供的服务几乎都是以对象的形式存在的，这里的对象类似于面向对象语言中对象的概论。如驱动对象，设备对象等管理。
  • 进程管理程序：负责创建和终止进程，线程调度是由内核负责的。进程管理程序依赖于其他执行组件。
  • 虚拟内存管理程序：在CPU的内存管理单元(MMU)的协助下，通过某种映射将物理内存和虚拟内存关联起来。
  • I/O 管理器：负责发起I/O 请求，并管理请求。它由一系列内核模式下的例程所组成，这些例程为用户模式下的进程提供了统一接口。I/O 管理器的目标是使来自用户模式的I/O请求独立于设备。
  • 配置管理程序：配置管理程序，记录所有计算机软，硬件的配置信息。它使用一个被称为注册表的数据库保存这些数据。设备驱动程序根据注册表中的信息进行加载
• 驱动程序：I/O 管理器接收应用程序后，创建相应的 IRP，并传送至驱动程序进行处理：
  • 根据IRP的请求，直接操作硬件，然后完成此IRP，并返回
  • 根据IRP的请求，转发到更底层的驱动中去，并等待底层驱动的返回。
  • 接受到IRP驱动后，不着急于完成。而是分配新的IRP法定其他驱动程序，并等待返回。
• 内核：内核被认为是 Windows 操作系统的心脏。Windows 的内核从执行组件分割出来。和执行组件相比，内核是非常小的：
  • 对内核对象的支持。
  • 对线程的调度
  • 对多处理器同步支持。
  • 中断处理函数的支持。
  • 对异常陷阱的支持。
  • 对其他硬件特殊功能的支持。
• 硬件抽象层：不同的硬件平台，提供不同的硬件抽象层，并对上层提供统一的操作硬件的接口。

2.3 应用程序和驱动

3. windows 驱动框架

3.1 驱动模型：

windows 驱动大致分为这几类：

• function driver：设备功能驱动
• filter driver：设备辅助驱动
• software driver：软件模块驱动
• bus driver：总线设备驱动

3.2 驱动演变

• NT 模型 ：2000以前，不支持 PNP (即插即用设备)
• WDM 模型：NT 基础上，支持 PNP
• WDF：WDM的重封装
  • KMDF：内核模式(sys)
  • UMDF：用户模式(dll)
• win7 x64 划时代操作系统，开始数字签名了
• win10 ：双认证签名，也就是说对驱动的安全性要求更高了。

3.3 驱动垂直层次结构

• 设备的创建顺序，先创建底层PDO，在创建高层的FDO,即从底层设备到高层设备。
• 在PDO 和 FDO之间可能有各种过滤驱动。每层设备对象由不同的驱动程序创建，或者说每层的设备对应着不同的驱动程序。
• 底层设备对象寻找上一层的设备对象，是依靠底层设备对象的AttachedDevice 来寻找的。

3.4 驱动水平层次结构

同一驱动程序创建出来的设备对象的关系称之为水平层次关系。

每一个设备通过NextDevice可以寻找水平层次的下一个设备对象。

3.5 一个复杂的驱动结构

4. windows 开发环境搭建

4.1 开发环境部署

以 win10 为例，列出需要安装的东西，详细过程限于篇幅以后更新

• 安装VS2019
• 安装 Windows SDK：VS 2019 顺带安装
• 安装 WDK
• 安装 VMware + Win10 虚拟系统

4.2 常用调试工具

• windbg：调试内核。WDK 自带，配合串口或者网络调试windows 内核
• DebugViewer：查看内核打印
• driverMonitor：驱动安装
• PCHunter_free：驱动强制卸载，不支持2004版本
• devicetree：设备枚举
• winobj：查看符号链接

5. windows 驱动学习建议

有关Windows 驱动开发书籍，博文，教程甚少。如果有这方面需求的可以给以下几个建议：

• 环境搭建：win7 32 + vs2013 即可。不建议 win10 + vs2019，比较新，遇到问题不好解决。其次早期的一些调试工具，win10 最新版本不一定支持。
• 绕开数字签名：先使用测试模式，安装驱动。否则光安装部署就够折腾的。
• 入门采用 WDM 驱动模型。市面上将WDM 的书籍和资料相对多些，相对来说，WDF 开发资料来不少。

多看书，windows 驱动不想linux 资料一大把，遇到不懂得，加技术群，啃书本。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/eN2PolmYGHeh_Y2MYEW3Xg