對于設備驅(qū)動程序通知應用程序的幾種方法
2016-04-06 15:36:45 安裝信息網(wǎng)
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在目前流行的Windows操作系統(tǒng)中，設備驅(qū)動程序是操縱硬件的最底層軟件接口。為了共享在設備驅(qū)動程序設計過程中的經(jīng)驗，給出設備驅(qū)動程序通知應用程序的5種方法，具體說明每種方法的原理和實現(xiàn)過程，希望能夠給設備驅(qū)動程序的設計者提供一些幫助。
為了保證操作系統(tǒng)的平安性和穩(wěn)定性以及應用程序的可移植性，Windows操作系統(tǒng)不答應應用程序直接訪問系統(tǒng)的硬件資源，而是必須借助于相應的設備驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序可以直接操作硬件，假如應用程序和設備驅(qū)動程序之間實現(xiàn)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摘要：一方面是應用程序傳送給設備驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)；另一方面是設備驅(qū)動程序發(fā)送給應用程序的消息。前者的實現(xiàn)較輕易，通過CreateFile()函數(shù)獲取設備驅(qū)動程序的句柄后，就可以使用Win32函數(shù)，如DeviceIoControl()、ReadFile()或WriteFile()等實現(xiàn)應用程序和設備驅(qū)動程序之間的通信。后者的實現(xiàn)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(fā)揮著重要的功能。設備驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)取走并進行處理。諸如此類情況，不一而足。
鑒于設備驅(qū)動程序通知應用程序的重要性，本人結(jié)合一些經(jīng)驗，對它進行了總結(jié)，歸納出5種方法摘要：異步過程調(diào)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(xiàn)的部分源代碼。
1 異步過程調(diào)用(APC)
Win32應用程序使用CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載設備驅(qū)動程序，然后定義一個回調(diào)函數(shù)backFunc()，并且將回調(diào)函數(shù)的地址%26amp;backFunc()作為參數(shù)，通過DeviceIoControl()傳送給設備驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序獲得回調(diào)函數(shù)的地址后，將它保存在一個全局變量（如callback）中，同時調(diào)用Get_Cur_Thread_Handle()函數(shù)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(qū)動程序調(diào)用_VWIN32_QueueUserApc()函數(shù)，向Win32應用程序發(fā)送消息。這個函數(shù)帶有三個參數(shù)摘要：第一個參數(shù)為回調(diào)函數(shù)的地址（已經(jīng)注冊）；第二個參數(shù)為傳遞給回調(diào)函數(shù)的消息；第三個參數(shù)為調(diào)用者的線程句柄（已經(jīng)注冊）。Win32應用程序收到消息后，自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)（實際是由設備驅(qū)動程序調(diào)用）�；卣{(diào)函數(shù)的輸入?yún)?shù)是由設備驅(qū)動程序填入的，回調(diào)函數(shù)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(chuàng)建一個事件的句柄，稱其為Ring3句柄。由于虛擬設備驅(qū)動程序使用事件的Ring0句柄，因此，需要創(chuàng)建Ring0句柄。用LoadLibrary()函數(shù)加載未公開的動態(tài)鏈接庫Kernel32.dll，獲得動態(tài)鏈接庫的句柄。然后，調(diào)用GetProcAddress(), 找到函數(shù)OpenVxDHandle()在動態(tài)鏈接庫中的位置。接著，用OpenVxDHandle()函數(shù)將Ring3事件句柄轉(zhuǎn)化為Ring0事件句柄。Win32應用程序用CreateFile()函數(shù)加載設備驅(qū)動程序。假如加載成功，則調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)將Ring0事件句柄傳給VxD；同時，創(chuàng)建一個輔助線程等待信號變成有信號狀態(tài)，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(tài)（調(diào)用_VWIN32_SetWin32Event()函數(shù)），這馬上觸發(fā)對應的Ring3事件為有信號狀態(tài)。一旦Ring3事件句柄為有信號狀態(tài)，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(diào)用CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載虛擬設備驅(qū)動程序。加載成功后，通過調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)將窗體句柄傳送給VxD，VxD利用這個句柄向窗體發(fā)消息。當條件滿足時，VxD調(diào)用SHELL_PostMessage()函數(shù)向Win32應用程序發(fā)送消息。要讓該函數(shù)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(huán)中使用ON_MESSAGE()來定義消息對應的消息處理函數(shù)，以便消息產(chǎn)生時，能夠調(diào)用消息處理函數(shù)。SHELL_PostMessage()函數(shù)的第一個參數(shù)為Win32窗體句柄，第二個參數(shù)為消息ID號，第三、四個參數(shù)為發(fā)送給消息處理函數(shù)的參數(shù)，第五、六個參數(shù)為回調(diào)函數(shù)和傳給它的參數(shù)。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(diào)用CreateFile()函數(shù)加載設備驅(qū)動程序。在調(diào)用該函數(shù)時，將倒數(shù)第2個參數(shù)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(qū)動程序文件創(chuàng)建成功后，創(chuàng)建一個初始態(tài)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如Overlapped）。然后，將Overlapped作為一個參數(shù)，傳給DeviceIoControl()函數(shù)。設備驅(qū)動程序把這個I/O請求包（IRP）設置為掛起狀態(tài)，并且設置一個取消例程。假如當前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(qū)動程序做完這些工作后，結(jié)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(diào)用中返回。通過判定返回值，得到IRP的處理情況。假如當前IRP處于掛起狀態(tài)，則主程序先做一些其它的工作，然后調(diào)用WaitForSingleObject()或WaitForMultipleObject()函數(shù)等待Overlapped中的事件成為有信號狀態(tài)。設備驅(qū)動程序在適當?shù)臅r候處理排隊的IRP，處理完成后，調(diào)用IoCompleteRequest()函數(shù)。該函數(shù)將Overlapped中的事件設置為有信號狀態(tài)。Win32應用程序?qū)@個事件馬上進行響應，退出等待狀態(tài)，并且將事件復位為無信號狀態(tài)，然后調(diào)用GetOverlappedResult()
函數(shù)獲取IRP的處理結(jié)果。
5 事件方式（WDM）
Win32應用程序首先創(chuàng)建一個事件，然后將該事件句柄傳給設備驅(qū)動程序，接著創(chuàng)建一個輔助線程，等待事件的有信號狀態(tài)，自己則接著干其它事情。設備驅(qū)動程序獲得該事件的句柄后，將它轉(zhuǎn)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(qū)動程序?qū)⑹录O置為有信號狀態(tài)，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(qū)動程序不再使用這個事件時，應該解除該事件的指針。
6 結(jié)語
在目前流行的Windows操作系統(tǒng)中，設備驅(qū)動程序是操縱硬件的最底層軟件接口。它向上提供和硬件無關(guān)的用戶接口，向下直接進行I/O、硬件中斷、DMA和內(nèi)存訪問等操作。它將應用程序和硬件細節(jié)屏蔽開來，使軟件不依靠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(qū)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(jīng)過實際測試。測試結(jié)果表明，它們都能夠達到設備驅(qū)動程序通知應用程序的目的。
參考文獻摘要：
[1歐青立，徐建波，李方敏，等. 虛擬設備驅(qū)動程序VxD的探究和開發(fā). 計算機工程，2003
[2(美)Chris Cant. Windows WDM設備驅(qū)動程序開發(fā)指南. 孫義, 馬莉波, 國雪飛等譯. 北京摘要: 機械工業(yè)出版社 2000
[3李和平. 基于DSP的ICT圖像重建系統(tǒng)探究. 北京摘要: 北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 2002
為了保證操作系統(tǒng)的平安性和穩(wěn)定性以及應用程序的可移植性，Windows操作系統(tǒng)不答應應用程序直接訪問系統(tǒng)的硬件資源，而是必須借助于相應的設備驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序可以直接操作硬件，假如應用程序和設備驅(qū)動程序之間實現(xiàn)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摘要：一方面是應用程序傳送給設備驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)；另一方面是設備驅(qū)動程序發(fā)送給應用程序的消息。前者的實現(xiàn)較輕易，通過CreateFile()函數(shù)獲取設備驅(qū)動程序的句柄后，就可以使用Win32函數(shù)，如DeviceIoControl()、ReadFile()或WriteFile()等實現(xiàn)應用程序和設備驅(qū)動程序之間的通信。后者的實現(xiàn)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(fā)揮著重要的功能。設備驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)取走并進行處理。諸如此類情況，不一而足。
鑒于設備驅(qū)動程序通知應用程序的重要性，本人結(jié)合一些經(jīng)驗，對它進行了總結(jié)，歸納出5種方法摘要：異步過程調(diào)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(xiàn)的部分源代碼。
1 異步過程調(diào)用(APC)
Win32應用程序使用CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載設備驅(qū)動程序，然后定義一個回調(diào)函數(shù)backFunc()，并且將回調(diào)函數(shù)的地址%26amp;backFunc()作為參數(shù)，通過DeviceIoControl()傳送給設備驅(qū)動程序。設備驅(qū)動程序獲得回調(diào)函數(shù)的地址后，將它保存在一個全局變量（如callback）中，同時調(diào)用Get_Cur_Thread_Handle()函數(shù)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(qū)動程序調(diào)用_VWIN32_QueueUserApc()函數(shù)，向Win32應用程序發(fā)送消息。這個函數(shù)帶有三個參數(shù)摘要：第一個參數(shù)為回調(diào)函數(shù)的地址（已經(jīng)注冊）；第二個參數(shù)為傳遞給回調(diào)函數(shù)的消息；第三個參數(shù)為調(diào)用者的線程句柄（已經(jīng)注冊）。Win32應用程序收到消息后，自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)（實際是由設備驅(qū)動程序調(diào)用）�；卣{(diào)函數(shù)的輸入?yún)?shù)是由設備驅(qū)動程序填入的，回調(diào)函數(shù)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(chuàng)建一個事件的句柄，稱其為Ring3句柄。由于虛擬設備驅(qū)動程序使用事件的Ring0句柄，因此，需要創(chuàng)建Ring0句柄。用LoadLibrary()函數(shù)加載未公開的動態(tài)鏈接庫Kernel32.dll，獲得動態(tài)鏈接庫的句柄。然后，調(diào)用GetProcAddress(), 找到函數(shù)OpenVxDHandle()在動態(tài)鏈接庫中的位置。接著，用OpenVxDHandle()函數(shù)將Ring3事件句柄轉(zhuǎn)化為Ring0事件句柄。Win32應用程序用CreateFile()函數(shù)加載設備驅(qū)動程序。假如加載成功，則調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)將Ring0事件句柄傳給VxD；同時，創(chuàng)建一個輔助線程等待信號變成有信號狀態(tài)，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(tài)（調(diào)用_VWIN32_SetWin32Event()函數(shù)），這馬上觸發(fā)對應的Ring3事件為有信號狀態(tài)。一旦Ring3事件句柄為有信號狀態(tài)，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(diào)用CreateFile()函數(shù)動態(tài)加載虛擬設備驅(qū)動程序。加載成功后，通過調(diào)用DeviceIoControl()函數(shù)將窗體句柄傳送給VxD，VxD利用這個句柄向窗體發(fā)消息。當條件滿足時，VxD調(diào)用SHELL_PostMessage()函數(shù)向Win32應用程序發(fā)送消息。要讓該函數(shù)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(huán)中使用ON_MESSAGE()來定義消息對應的消息處理函數(shù)，以便消息產(chǎn)生時，能夠調(diào)用消息處理函數(shù)。SHELL_PostMessage()函數(shù)的第一個參數(shù)為Win32窗體句柄，第二個參數(shù)為消息ID號，第三、四個參數(shù)為發(fā)送給消息處理函數(shù)的參數(shù)，第五、六個參數(shù)為回調(diào)函數(shù)和傳給它的參數(shù)。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(diào)用CreateFile()函數(shù)加載設備驅(qū)動程序。在調(diào)用該函數(shù)時，將倒數(shù)第2個參數(shù)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(qū)動程序文件創(chuàng)建成功后，創(chuàng)建一個初始態(tài)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如Overlapped）。然后，將Overlapped作為一個參數(shù)，傳給DeviceIoControl()函數(shù)。設備驅(qū)動程序把這個I/O請求包（IRP）設置為掛起狀態(tài)，并且設置一個取消例程。假如當前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(qū)動程序做完這些工作后，結(jié)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(diào)用中返回。通過判定返回值，得到IRP的處理情況。假如當前IRP處于掛起狀態(tài)，則主程序先做一些其它的工作，然后調(diào)用WaitForSingleObject()或WaitForMultipleObject()函數(shù)等待Overlapped中的事件成為有信號狀態(tài)。設備驅(qū)動程序在適當?shù)臅r候處理排隊的IRP，處理完成后，調(diào)用IoCompleteRequest()函數(shù)。該函數(shù)將Overlapped中的事件設置為有信號狀態(tài)。Win32應用程序?qū)@個事件馬上進行響應，退出等待狀態(tài)，并且將事件復位為無信號狀態(tài)，然后調(diào)用GetOverlappedResult()
函數(shù)獲取IRP的處理結(jié)果。
5 事件方式（WDM）
Win32應用程序首先創(chuàng)建一個事件，然后將該事件句柄傳給設備驅(qū)動程序，接著創(chuàng)建一個輔助線程，等待事件的有信號狀態(tài)，自己則接著干其它事情。設備驅(qū)動程序獲得該事件的句柄后，將它轉(zhuǎn)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(qū)動程序?qū)⑹录O置為有信號狀態(tài)，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(qū)動程序不再使用這個事件時，應該解除該事件的指針。
6 結(jié)語
在目前流行的Windows操作系統(tǒng)中，設備驅(qū)動程序是操縱硬件的最底層軟件接口。它向上提供和硬件無關(guān)的用戶接口，向下直接進行I/O、硬件中斷、DMA和內(nèi)存訪問等操作。它將應用程序和硬件細節(jié)屏蔽開來，使軟件不依靠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(qū)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(jīng)過實際測試。測試結(jié)果表明，它們都能夠達到設備驅(qū)動程序通知應用程序的目的。
參考文獻摘要：
[1歐青立，徐建波，李方敏，等. 虛擬設備驅(qū)動程序VxD的探究和開發(fā). 計算機工程，2003
[2(美)Chris Cant. Windows WDM設備驅(qū)動程序開發(fā)指南. 孫義, 馬莉波, 國雪飛等譯. 北京摘要: 機械工業(yè)出版社 2000
[3李和平. 基于DSP的ICT圖像重建系統(tǒng)探究. 北京摘要: 北京航空航天大學機械工程及自動化學院, 2002
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