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WDF设备驱动程序

去年花了点时间了解了下microsoft下一代驱动程序模型WDF的东东.这两天写了个帖子用来罐水

  1. 引言
    设备驱动程序是硬件设备连接到计算机系统的软件接口,任何设备都必须有相应的驱动程序才能在计算机系统上正常工作。设备驱动程序的优劣直接关系到整个系统的性能和稳定性,因此,设计和开发稳定高效的驱动程序具有重要意义。
    WDF(Windows Driver Foundation)是微软提出的下一代全新的驱动程序模型[1],它是在WDM(windows Driver Model)的基础上发展而来的,支持面向对象、事件驱动的驱动程序开发,提供了比WDM更高层次抽象的高度灵活、可扩展、可诊断的驱动程序框架。WDF框架管理了大多数与操作系统相关的交互,实现了公共的驱动程序功能(如电源管理、PnP支持),隔离了设备驱动程序与操作系统内核,降低了驱动程序对内核的影响。
    WDF提供了两个框架:KMDF(内核模式驱动程序框架)和UMDF(用户模式驱动程序框架)。本文只介绍KMDF的设计与实现。
  2. WDF对象模型
    KMDF框架支持面向对象、事件驱动的驱动程序模型。它定义了一系列的对象用来表示设备、驱动、中断等,每个对象有对应的属性、方法和事件。驱动程序利用这些方法创建对象、设置属性和响应事件。
    框架定义的主要对象有:
    WDFDRIVER对象,对应于WDM中的DRIVER_OBJECT。描述驱动在内存中的实例,包括加载的位置、有关的属性和所管理的设备。
    WDFDEVICE对象,对应于WDM中的DEVICE_OBJECT。描述由驱动程序管理的单个设备实例,设备可以是命名的也可以是未命名的。用户模式程序可以通过设备接口或设备名称访问设备。WDFDEVICE对象具有丰富的属性,如pnp和电源管理相关的事件处理回调函数(callbacks)。
    WDFREQUEST对象,对应于WDM中的IRP,表示一个I/O请求。
    WDFQUEUE对象:每个WDFQUEUE对象和一个WDFDEVICE对象关联,描述一个特殊的I/O请求队列。它具有一系列的事件处理回调函数,当I/O请求进入队列时,框架将自动调用驱动程序中对应的callback。
    WDFINTERRUPT对象:表示设备中断。驱动程序可以通过WDFINTERRUPT对象的中断使能和禁止事件处理callbacks使能或禁止设备中断;通过ISR和DPCforISR例程处理设备中断。
    WDF的对象模型是层次化的模型。WDFDRIVER对象是根对象,其他对象都是它的子对象。对于大多数对象,驱动程序在创建他们的时候可以指定父对象,如果没有指定,则框架默认其父对象为WDFDRIVER对象。
    WDF大大简化了WDM中的pnp和电源管理的开发。WDF框架为设备停止、设备删除、电源状态切换等pnp和电源管理事件提供了适合的缺省行为,驱动程序本身不再纠缠于复杂的pnp和电源管理事件处理。此外,WDF还集成了请求队列的支持,一个设备可以有多个请求队列,每个请求队列可以有一种模式。最简单的是 WdfIoQueueDispatchSerial模式,在这种模式下,请求队列将请求串行化后再处理;而WdfIoQueueDispatchParallel模式则自动在每个请求到来时调用相应的回调函数;最后WdfIoQueueDispatchManual模式允许驱动程序手工分发请求,类似于WDM的工作方式。
    在WDM驱动程序中,I/O请求的取消是一个复杂难以理解的过程,开发人员必须有对内核深刻的理解才能正确处理I/O请求的取消。WDF框架支持内建的I/O请求取消处理,使得驱动程序处理取消I/O请求的工作大大简化。
  3. WDF设备驱动程序的结构
    与WDM驱动程序一样,WDF驱动程序得标准入口函数是DriverEntry。与WDM不同,WDF的DriverEntry只负责创建和初始化WDFDRIVER对象,告诉WDF框架处理增加新设备连接的回调函数。
    NTSTATUS  DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObj, PUNICODE_STRING RegistryPath)
    {
        NTSTATUS code;
        WDF_DRIVER_CONFIG config;
        WDFDRIVER hDriver;
        // 初始化驱动配置结构,指定设备添加事件callback
    WDF_DRIVER_CONFIG_INIT_NO_CONSTRAINTS(&config, MyEvtDeviceAdd);
        // 创建WDFDRIVER对象
    code = WdfDriverCreate(DriverObj,
                                 RegistryPath,
                                 WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
                                 &config,   // 指向config结构的指针
                                 NULL);      
        return(code);
    }
        每当有新设备连接到系统时,WDF框架自动调用EvtDeviceAdd设备添加callback。该回调函数初始化pnp和电源管理相关结构,设置相应的事件处理callbacks,然后创建WDFDEVICE对象和符号连接,初始化请求队列、中断处理等相关结构,设置相应的回调函数。
    WDFSTATUS  MyEvtDeviceAdd(WDFDRIVER Driver, PWDFDEVICE_INIT DeviceInit)
    {
        WDFSTATUS status = STATUS_SUCCESS;
        WDF_PNPPOWER_EVENT_CALLBACKS pnpPowerCallbacks;
        WDF_OBJECT_ATTRIBUTES objAttributes;
        WDFDEVICE device;
        PMY_DEVICE_CONTEXT devContext;
        WDF_IO_QUEUE_CONFIG ioCallbacks;
        WDF_INTERRUPT_CONFIG interruptConfig;
       // 初始化pnpPowerCallbacks ,设置与PnP和电源管理相关的事件回调函数
       WDF_PNPPOWER_EVENT_CALLBACKS_INIT(&pnpPowerCallbacks);
        pnpPowerCallbacks.EvtDevicePrepareHardware = MyEvtPrepareHardware;
        pnpPowerCallbacks.EvtDeviceReleaseHardware = MyEvtReleaseHardware;
        pnpPowerCallbacks.EvtDeviceD0Entry= MyEvtDeviceD0Entry;
       pnpPowerCallbacks.EvtDeviceD0Exit = MyEvtDeviceD0Exit;
        WdfDeviceInitSetPnpPowerEventCallbacks(DeviceInit, pnpPowerCallbacks);
            // 创建设备对象,初始化相关的属性
          WDF_OBJECT_ATTRIBUTES_INIT(&objAttributes);
         WDF_OBJECT_ATTRIBUTES_SET_CONTEXT_TYPE(&objAttributes,
                                               MY_DEVICE_CONTEXT);
          // 命名设备
    status = WdfDeviceInitUpdateName(DeviceInit, L"\\device\\WDFDEMO");
        if (!NT_SUCCESS(status))     return(status);
        status = WdfDeviceCreate(&DeviceInit, &objAttributes, &device);     
         if ( !NT_SUCCESS(status))     return(status);
        devContext = MyGetContextFromDevice(device);
    devContext->WdfDevice = device;
         // 创建符号连接
        status = WdfDeviceCreateSymbolicLink(device, L"\\DosDevices\\WDFDEMO");
        if (!NT_SUCCESS(status))     return(status);
        // 创建和初始化请求队列
        WDF_IO_QUEUE_CONFIG_INIT(&ioCallbacks, WdfIoQueueDispatchSerial,
                                 WDF_NO_EVENT_CALLBACK,  WDF_NO_EVENT_CALLBACK);
    ioCallbacks.EvtIoDeviceControl = MyEvtDeviceControlIoctl;
    status = WdfDeviceCreateDefaultQueue(device,&ioCallbacks,
    WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,NULL);  
        if (!NT_SUCCESS(status))    return(status);
        // 创建和初始化中断对象,MyIsr和MyDpc分别是中断服务例程和DPC例程
    WDF_INTERRUPT_CONFIG_INIT(&interruptConfig, FALSE,  MyIsr, MyDpc);
        interruptConfig.EvtInterruptEnable  = MyEvtInterruptEnable;//中断使能
       interruptConfig.EvtInterruptDisable = MyEvtInterruptDisable;//中断禁止
        status = WdfInterruptCreate(device, &interruptConfig,&objAttributes,
    &devContext->WdfInterrupt);
    return(status);
    }
    WDF驱动程序下一步的工作就是编写各事件处理回调函数,当相应事件发生时,WDF框架会自动调用指定的回调函数进行处理。其中EvtDevicePrepareHardware回调函数在分配资源的时候被调用,框架将分配给设备的资源传递给回调函数,回调函数保存需要的资源,将共享内存映射到内核虚拟地址空间。与此对应的是EvtDeviceReleaseHardware回调函数,每当设备释放所占用的资源时,框架都将调用它。
    EvtDeviceD0Entry 和 EvtDeviceD0Exit事件callbacks则分别在设备即将进入和离开D0电源状态时调用。EvtIoDeviceControl、EvtIoRead、EvtIoWrite等回调函数分别用来处理DeviceControl、Read、Write I/O请求。当框架获得一个I/O请求时,它首先确定该请求应该放入哪个请求队列。如果驱动程序没有提供指定的队列,WDF框架默认将请求放入缺省请求队列会自动调用对应的回调函数。然后,框架寻找处理该请求的回调函数,如果驱动程序提供了相应的callback,则调用它处理请求。对于没有指定回调函数的I/O请求,WDF调用EvtIoStart回调函数处理。如果EvtIoStart callback也不存在,框架将返回STATUS_NOT_SUPPORTED。
    设备中断的管理由EvtInterruptEnable callback、EvtInterruptDisable callback、中断服务例程(ISR)和DpcForISr例程实现。WDF框架在调用EvtDeviceD0Entry callback和注册ISR后,通过调用EvtInterruptEnable回调函数使能设备中断;而EvtInterruptDisable回调函数则在设备离开D0状态,EvtDeviceD0Exit callback调用前获得调用,完成禁止设备中断的工作。此外,中断服务例程和DpcForIsr例程具体完成中断服务的功能,与WDM驱动程序相似。
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