Windows驱动程序开发入门：从原理到实践
前言
Windows驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁，它们在系统的最底层运行，拥有访问硬件资源的特权。本文将从基础概念开始，逐步深入Windows驱动开发的核心知识，并通过代码示例帮助读者理解驱动程序的工作原理。
一、什么是Windows驱动程序？
Windows驱动程序（Device Driver）是一种特殊的软件组件，运行在内核模式下，负责管理特定的硬件设备。它们充当应用程序和硬件之间的翻译器，将操作系统的标准化调用转换为特定硬件能够理解的指令。
驱动程序的特点
内核模式执行：拥有系统的最高权限
硬件抽象：为上层应用提供统一的接口
中断处理：响应硬件产生的中断信号
内存管理：直接操作物理内存和I/O端口
二、Windows驱动架构
Windows驱动程序遵循Windows驱动模型（WDM）或更现代的Windows驱动框架（WDF）。
2.1 WDM架构层次
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应用程序层
↓
Win32 API
↓
I/O管理器
↓
功能驱动程序 (Function Driver)
↓
总线驱动程序 (Bus Driver)
↓
硬件设备
2.2 驱动程序类型
按功能分类：
功能驱动程序（FDO）：实现设备的主要功能
物理设备对象驱动程序（PDO）：表示总线上的设备
筛选驱动程序（Filter Driver）：在设备栈中添加功能
按框架分类：
WDM驱动：传统的Windows驱动模型
KMDF驱动：内核模式驱动框架
UMDF驱动：用户模式驱动框架
三、开发环境搭建
3.1 必需工具
Visual Studio 2019/2022
Windows SDK
Windows Driver Kit (WDK)
虚拟机（用于测试）
3.2 环境配置
xml
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四、第一个驱动程序：Hello World
让我们从一个最简单的KMDF驱动程序开始。
4.1 驱动程序入口点
c
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#include
#include
// 驱动程序卸载回调函数
VOID HelloDriverUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
UNREFERENCED_PARAMETER(DriverObject);
KdPrint(("HelloDriver: Driver Unload called\n"));
}
// 驱动程序入口点
NTSTATUS DriverEntry(
_In_ PDRIVER_OBJECT DriverObject,
_In_ PUNICODE_STRING RegistryPath
)
{
NTSTATUS status;
WDF_DRIVER_CONFIG config;
// 打印调试信息
KdPrint(("HelloDriver: DriverEntry called\n"));
// 初始化WDF驱动配置
WDF_DRIVER_CONFIG_INIT(&config, NULL);
// 设置卸载函数
DriverObject->DriverUnload = HelloDriverUnload;
// 创建WDF驱动对象
status = WdfDriverCreate(
DriverObject,
RegistryPath,
WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
&config,
WDF_NO_HANDLE
);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: WdfDriverCreate failed: 0x%x\n", status));
return status;
}
KdPrint(("HelloDriver: Driver loaded successfully\n"));
return STATUS_SUCCESS;
}
4.2 设备对象创建
c
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// 设备添加回调函数
NTSTATUS HelloEvtDeviceAdd(
_In_ WDFDRIVER Driver,
_Inout_ PWDFDEVICE_INIT DeviceInit
)
{
NTSTATUS status;
WDFDEVICE device;
WDF_OBJECT_ATTRIBUTES deviceAttributes;
UNREFERENCED_PARAMETER(Driver);
KdPrint(("HelloDriver: HelloEvtDeviceAdd called\n"));
// 初始化设备属性
WDF_OBJECT_ATTRIBUTES_INIT(&deviceAttributes);
// 创建设备对象
status = WdfDeviceCreate(&DeviceInit, &deviceAttributes, &device);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: WdfDeviceCreate failed: 0x%x\n", status));
return status;
}
// 创建设备接口
status = WdfDeviceCreateDeviceInterface(
device,
&GUID_DEVINTERFACE_HELLO, // 自定义GUID
NULL
);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: WdfDeviceCreateDeviceInterface failed: 0x%x\n", status));
return status;
}
return status;
}
五、I/O请求处理
驱动程序的核心功能是处理来自应用程序的I/O请求。
5.1 I/O队列配置
c
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NTSTATUS HelloCreateIoQueue(WDFDEVICE Device)
{
NTSTATUS status;
WDF_IO_QUEUE_CONFIG queueConfig;
WDFQUEUE queue;
// 配置默认I/O队列
WDF_IO_QUEUE_CONFIG_INIT_DEFAULT_QUEUE(
&queueConfig,
WdfIoQueueDispatchSequential
);
// 设置I/O回调函数
queueConfig.EvtIoRead = HelloEvtIoRead;
queueConfig.EvtIoWrite = HelloEvtIoWrite;
queueConfig.EvtIoDeviceControl = HelloEvtIoDeviceControl;
// 创建I/O队列
status = WdfIoQueueCreate(
Device,
&queueConfig,
WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
&queue
);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: WdfIoQueueCreate failed: 0x%x\n", status));
}
return status;
}
5.2 读取操作处理
c
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VOID HelloEvtIoRead(
_In_ WDFQUEUE Queue,
_In_ WDFREQUEST Request,
_In_ size_t Length
)
{
NTSTATUS status;
PVOID buffer;
size_t bufferLength;
UNREFERENCED_PARAMETER(Queue);
KdPrint(("HelloDriver: Read request, Length = %zu\n", Length));
// 获取请求缓冲区
status = WdfRequestRetrieveOutputBuffer(
Request,
Length,
&buffer,
&bufferLength
);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: WdfRequestRetrieveOutputBuffer failed: 0x%x\n", status));
WdfRequestComplete(Request, status);
return;
}
// 向缓冲区写入数据
const char* message = "Hello from Kernel Driver!";
size_t messageLength = strlen(message);
if (bufferLength >= messageLength) {
RtlCopyMemory(buffer, message, messageLength);
WdfRequestCompleteWithInformation(Request, STATUS_SUCCESS, messageLength);
} else {
WdfRequestComplete(Request, STATUS_BUFFER_TOO_SMALL);
}
}
5.3 写入操作处理
c
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VOID HelloEvtIoWrite(
_In_ WDFQUEUE Queue,
_In_ WDFREQUEST Request,
_In_ size_t Length
)
{
NTSTATUS status;
PVOID buffer;
size_t bufferLength;
UNREFERENCED_PARAMETER(Queue);
KdPrint(("HelloDriver: Write request, Length = %zu\n", Length));
// 获取输入缓冲区
status = WdfRequestRetrieveInputBuffer(
Request,
Length,
&buffer,
&bufferLength
);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: WdfRequestRetrieveInputBuffer failed: 0x%x\n", status));
WdfRequestComplete(Request, status);
return;
}
// 处理写入的数据
KdPrint(("HelloDriver: Received %zu bytes of data\n", bufferLength));
// 完成请求
WdfRequestCompleteWithInformation(Request, STATUS_SUCCESS, bufferLength);
}
六、设备控制代码处理
DeviceIoControl是驱动程序与应用程序通信的重要方式。
c
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#define IOCTL_HELLO_GET_VERSION \
CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x800, METHOD_BUFFERED, FILE_READ_DATA)
#define IOCTL_HELLO_SET_DATA \
CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x801, METHOD_BUFFERED, FILE_WRITE_DATA)
VOID HelloEvtIoDeviceControl(
_In_ WDFQUEUE Queue,
_In_ WDFREQUEST Request,
_In_ size_t OutputBufferLength,
_In_ size_t InputBufferLength,
_In_ ULONG IoControlCode
)
{
NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;
size_t bytesTransferred = 0;
UNREFERENCED_PARAMETER(Queue);
UNREFERENCED_PARAMETER(OutputBufferLength);
UNREFERENCED_PARAMETER(InputBufferLength);
switch (IoControlCode) {
case IOCTL_HELLO_GET_VERSION:
{
PVOID outputBuffer;
size_t outputBufferSize;
ULONG version = 0x00010001; // 版本1.1
status = WdfRequestRetrieveOutputBuffer(
Request,
sizeof(ULONG),
&outputBuffer,
&outputBufferSize
);
if (NT_SUCCESS(status)) {
RtlCopyMemory(outputBuffer, &version, sizeof(ULONG));
bytesTransferred = sizeof(ULONG);
KdPrint(("HelloDriver: Get version: 0x%x\n", version));
}
}
break;
case IOCTL_HELLO_SET_DATA:
{
PVOID inputBuffer;
size_t inputBufferSize;
status = WdfRequestRetrieveInputBuffer(
Request,
1,
&inputBuffer,
&inputBufferSize
);
if (NT_SUCCESS(status)) {
KdPrint(("HelloDriver: Set data, size = %zu\n", inputBufferSize));
// 处理设置的数据
bytesTransferred = inputBufferSize;
}
}
break;
default:
status = STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST;
KdPrint(("HelloDriver: Unknown IOCTL: 0x%x\n", IoControlCode));
break;
}
WdfRequestCompleteWithInformation(Request, status, bytesTransferred);
}
七、用户态测试程序
为了测试我们的驱动程序，需要编写一个用户态应用程序。
cpp
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#include
#include
#include
#define IOCTL_HELLO_GET_VERSION \
CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x800, METHOD_BUFFERED, FILE_READ_DATA)
int main()
{
HANDLE hDevice;
DWORD bytesReturned;
char buffer[256];
ULONG version;
// 打开设备
hDevice = CreateFile(
L"\\\\.\\HelloDevice",
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
0,
NULL,
OPEN_EXISTING,
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL,
NULL
);
if (hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE) {
std::cout << "Failed to open device: " << GetLastError() << std::endl;
return -1;
}
std::cout << "Device opened successfully!" << std::endl;
// 读取数据
if (ReadFile(hDevice, buffer, sizeof(buffer), &bytesReturned, NULL)) {
buffer[bytesReturned] = '\0';
std::cout << "Read from driver: " << buffer << std::endl;
}
// 写入数据
const char* writeData = "Hello from user application!";
if (WriteFile(hDevice, writeData, strlen(writeData), &bytesReturned, NULL)) {
std::cout << "Successfully wrote " << bytesReturned << " bytes" << std::endl;
}
// 发送控制代码
if (DeviceIoControl(
hDevice,
IOCTL_HELLO_GET_VERSION,
NULL, 0,
&version, sizeof(version),
&bytesReturned,
NULL)) {
std::cout << "Driver version: " << std::hex << version << std::endl;
}
CloseHandle(hDevice);
return 0;
}
八、调试技巧
8.1 内核调试
使用WinDbg进行内核调试是驱动开发的重要技能：
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// 设置调试输出级别
!ed nt!Kd_DEFAULT_Mask 0xFFFFFFFF
// 查看驱动加载状态
lm m hello*
// 设置断点
bp HelloEvtIoRead
// 查看调用栈
kb
8.2 调试宏定义
c
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#ifdef DBG
#define DebugPrint(x) DbgPrint x
#else
#define DebugPrint(x)
#endif
// 使用示例
DebugPrint(("HelloDriver: Processing request, ID = %d\n", requestId));
九、最佳实践
9.1 错误处理
c
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NTSTATUS ProcessRequest(WDFREQUEST Request)
{
NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;
__try {
// 处理请求的代码
status = DoActualWork();
} __except (EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) {
status = GetExceptionCode();
KdPrint(("HelloDriver: Exception caught: 0x%x\n", status));
}
return status;
}
9.2 资源管理
c
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NTSTATUS AllocateResources()
{
PVOID buffer = NULL;
buffer = ExAllocatePoolWithTag(
NonPagedPool,
BUFFER_SIZE,
'lleH' // 'Hell' tag
);
if (buffer == NULL) {
return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
}
// 使用buffer...
// 清理资源
if (buffer) {
ExFreePoolWithTag(buffer, 'lleH');
}
return STATUS_SUCCESS;
}
十、总结
Windows驱动程序开发是一个复杂但充满挑战的领域。本文介绍了：
基础概念：驱动程序的作用和特点
架构理解：WDM和WDF框架
开发实践：从Hello World到完整的I/O处理
调试技巧：内核调试和错误处理
最佳实践：资源管理和异常处理
进阶学习方向
高级I/O模型：异步I/O和DMA
电源管理：设备电源状态管理
即插即用：PnP和电源管理事件
过滤驱动：上层和下层过滤驱动
UMDF开发：用户模式驱动框架
驱动开发需要深厚的系统知识和仔细的编程态度。建议在虚拟机环境中进行开发和测试，避免因驱动错误导致系统崩溃。
参考资源
Microsoft Windows Driver Kit Documentation
Windows Internals (Mark Russinovich)
OSR Online (驱动开发社区)
Windows Hardware Dev Center
希望这篇文章能为Windows驱动开发的初学者提供有价值的入门指导。驱动开发是一个需要不断实践和学习的过程，祝愿大家在这个充满挑战的领域中取得成功！