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# Windows驱动程序开发入门：从原理到实践

news 2025/9/13 7:28:10

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

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

  1. Visual Studio 2019/2022
  2. Windows SDK
  3. Windows Driver Kit (WDK)
  4. 虚拟机（用于测试）

3.2 环境配置

<!-- 项目配置示例 -->
<PropertyGroup><Platform>x64</Platform><Configuration>Debug</Configuration><TargetVersion>Windows10</TargetVersion><UseDebugLibraries>true</UseDebugLibraries><DriverType>KMDF</DriverType><DriverTargetPlatform>Universal</DriverTargetPlatform>
</PropertyGroup>

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

#include <ntddk.h>
#include <wdf.h>// 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

// 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GUIDNULL);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

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

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

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。

#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1.1status = 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。

#include <Windows.h>
#include <iostream>
#include <SetupAPI.h>#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：

// 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

#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

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

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：

  1. 基础概念：驱动程序的作用和特点
  2. 架构理解：WDM和WDF框架
  3. 开发实践：从Hello World到完整的I/O处理
  4. 调试技巧：内核调试和错误处理
  5. 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！


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