第三章 编写内核模式驱动程序
翻译： Kendiv
更新： Monday, February 07, 2005
在下一章中，我们会经常访问那些仅在内核模式下才有效的系统资源。大量的示例代码都被设计为内核驱动例程（ Kernel-mode driver routine ）。因此，需要有关开发此种软件的基本知识。因为我不能假定所有读者都有这方面的经验，我会在此简要地介绍一下内核模式驱动程序编程，不过这仅集中在如何使用驱动开发向导（在本书光盘上）。
本章还将讨论 Windows 2000 服务控制管理器（ Service Control Manager ， SCM ）的基本知识，这包括 SCM 如何允许在运行时加载、控制和卸载驱动程序， resulting in wonderfully short change-build-test turnaround cycles 。本章的题目或许会让人有些误解，驱动一词通常与控制硬件的底层软件相关。事实上，很多内核程序员每天都在做这些事情。不过， Windows 2000 的驱动程序分层模式允许做比这更多的事情。内核驱动程序可以完成任意复杂的任务，若不考虑它们运行于更高的 CPU 特权级别上而且使用不同的开发接口，那它们很像用户模式下的 DLL 。在此，我们将使用这种强大的开发技术来侦测 Windows 2000 的内部秘密，使用内核驱动程序就像驾驶从狭小的用户模式飞往 Windows 2000 内核的太空飞船。
创建一个驱动程序的骨架
即使长时间开发 Win32 应用程序和库的开发人员，在首次编写内核驱动程序时，也会感觉像是一个绝对的初学者。这是因为，内核模式下的代码运行在一个完全不同的操作系统环境中。 Win32 开发人员的工作仅局限在属于 Windows 2000 Win32 子系统的几个系统组件上。其他开发人员可能编写 POSI 或 OS/2 应用程序， Windows 2000 的附加子系统为它们提供支持。感谢子系统这个概念， Windows 2000 就像一个变色龙 --- 它可通过这些子系统（前面提及的）导出不同的应用程序开发接口来模拟不同的操作系统。与此相反，内核模式的代码可以看到“真实”的 Windows 2000 操作系统。它们使用的接口可以称之为“最终边界”。当然，这并不是说，内核模式完全摆脱了子系统。在第二章中，我们看到 win32k.sys 就是 Win32 GUI 和窗口管理器在内核模式下的分支，将它们放在内核是出于性能考虑。然而， win32k.sys 导出的 API 函数集合中只有一小部分出现在了 gdi32.dll 和 user32.dll 中，这也意味着只有这一小部分函数可以作为 Win32 API 函数来使用，因此， Win32K 决不只是 Win32 踏入内核世界的一脚，实际上，应把它看作是一个高性能的内核模式的图形引擎。
Windows 2000 DDK （ Device Driver Kit ）
由于内核模式下的编程使用了不同的系统接口，在 Win32 编程中经常使用的头文件和库都将无法在内核模式下使用。针对 Win32 开发，微软提供了 Platform Software Development Kit （ SDK ）。而与内核模式的驱动开发相关的是， Windows 2000 Device Driver Kit （ DDK ）。随文档一起， DDK 还提供了特殊的头文件和导入库，这些都是 Windows 2000 内核模块必须的接口。安装完 DDK 之后，接下来你应该打开 Visual C/C++ ，把 DDK 的路径加入到编译器和链接器的目录列表中。在主菜单中选择 Tools à Options ，然后单击 Directories 。在目录选择下拉列表中选择 Include files ，然后将 DDK 的适当路径加入，如 图 3-1 所示。默认情况下， DDK 将安装到 \NTDDK 目录下， included 文件位于 \NTDDK\inc 子目录中。需要注意的是，请将新添加的路径置于原有路径的上方，这样就会使用新的头文件或者库。
图 3-1 添加 DDK 头文件路径
图 3-2 添加 DDK 导入库路径
在添加完 DDK 头文件路径后，用同样的方法添加导入库的路径。 DDK 包含两组导入库，一组叫做 free （ release ） builds ，另一组叫做 checked （ debug ） builds 。其对应的目录为： \NTDDK\libfre\i386 和 \NTDDK\libchk\i386 ，参见 图 3-2 。
DDK 开发环境与 Win32 模式有所不同，下面给出二者之间的一些明显区别：
l 对于 Win32 程序员来说，主要的头文件是 windows.h ，对于内核模式代码来说，应使用 ntddk.h 替代之。
l 主进入点函数叫做 DirverEntry() ，而不再是 WinMain() 或 main() 。 列表 3-1 给出了它们的原型。
l 不能再使用一些常见的 Win32 数据类型，如 BYTE 、 WORD 和 DWORD 。 DDK 使用 UCHAR 、 USHORT 、 ULONG 等。不过，很容易就能定义你自己喜欢的类型， 列表 3-2 给出了这样的一个示例。
NTSTATUS DriverEntry ( PDRIVER_OBJECT pDriverObject,
PUNICODE_STRING pusRegistryPath);
列表 3-1 DriverEntry 函数的原型
typedef UCHAR BYTE, *PBYTE;
typedef USHORT WORD, *PWORD;
typedef ULONG DWORD, *PDWORD;
列表 3-2 定义常见的 Win32 数据类型
此外，还需要注意 Windows NT 4.0 和 Windows 2000 所使用的 DDK 之间的差别，有三点不同需要注意，如下：
l 默认情况下， Windows NT 4.0 DDK 的主目录叫做 \DDK ，而 Windows 2000 DDK 叫做 \NTDDK
l 在 Windows NT 4.0 DDK 中，主要的头文件 ntddk.h 位于主目录之下。而在 Windows 2000 DDK 中，该文件被移到了 \NTDDK\DDK 子目录下。
l 导入库的路径也发生了变化： lib\i386\free 变成了 libfre\i386 ， lib\i386\checked 变成了 libchk\i386 。
我不知道微软的这种改变有什么实际意义，不过为了生活，我们还是需要了解其变化 J 。
可定制的驱动程序向导
开发内核驱动程序的主要困难在于 Visual C/C++ 没有提供此种类型的工程向导。幸运的是， MSDN 里有一系列不错的关于 Windows NT 内核驱动开发的文章，是 Ruediger R.Asche. 在 1994 至 1995 年编写的。其中的两篇文章（ Asche 1995a ， 1995b ）详细说明了如何在 Visual C/C++ 中加入自定义的驱动程序向导，这些文章给了我很大的帮助，尽管原始向导的输出文件不能满足我的所有需求，但这是一个很好的开始。我提供的内核驱动向导将基于 Ruediger Asche 的原始向导产生的输出文件。
我提供的驱动向导的所有源代码位于本书光盘的 \src\w2k_wiz 目录。通过阅读这些代码，你会发现它实际的标题“ SBS Windows 2000 Code Wizard ”。事实上，这是一个一般性的 Windows 2000 程序骨架生成器，该生成器可以产生多种类型的程序，包括 Win32 DLL 和应用程序。不过，光盘中的配置文件针对内核驱动开发做了一定的修改。基本上来说，我提供的向导是一个文件转换器，它读取一组文件，然后按照一些简单的规则将它们进行转换，最后将结果写入另一组文件中。输入文件是模板，输出文件是 C 工程文件。通过修改模板文件，该向导可以变成一个 DLL 向导等等。必须提供 7 个模板文件（如果丢失了某一个，会产生错误）：
l 扩展名为 .tw 的文件是 workspace 模板，此种文件将会被保存为 Visual Studio 的工程文件 .dsw 。
l 扩展名为 .tp 的文件是工程模板，此种文件将被保存为 .dsp 文件。工程文件由于之关联的 workspace 文件引用，工程文件还包含生成工程的所有配置选项。
l 扩展名为 .tc 、 .th 、 .tr 和 .td 的文件都是 C 代码文件，这些文件最后会变成相应的 .c 、 .h 、 .rc 和 .def 文件。
l 扩展名为 .ti 的是 icon 文件，该文件会被直接保存为 .ico 文件。
这七个文件是一个新工程所必需的。 .def 文件以一种较老风格的方法从 DLL 中导出 API 函数，不过我更喜欢 __declspec(dllexport) 方式。因为驱动程序通常不导出函数，所以我省略了 .td 模板，导致的结果是，在开始时，向导会报告一个错误。我还省略了资源脚本和 icon 文件，不过经验告诉我，最好提供它们。采用的转换规则也非常简单，仅包含一个很短的字符串替换列表。在扫描模板文件时，转换器查找以 % 号开始的转义符。当它找到后，会根据 % 后的字符来决定执行什么样的动作。 表 3-1 列出了验证过的转义符。
表 3-1 中有几处需参考配置文件 ---w2k_wiz.ini 。 示例 3-1 给出了其默认设置。在使用向导之前，你应该将光盘 \src\w2k_wiz\release 目录下的 w2k_wiz.exe 、 w2k_wiz.ini 和所有的 w2k_wiz.t* 模板文件复制到你的硬盘上，然后编辑配置文件，将对应内容改为你自己的设置。你还需要修改 Include 、 Free 和 Checked ，使其和你的 DDK 安装相匹配。如果你使用 Visual C/C++ 6.0 ，可以不改变 Root 的值。如果不，则将其设为你存放工程文件的根目录。如果以一个反斜线结尾，它将作为默认值。在 示例 3-1 中，其键值为： HKEY_CURRENT_USER\SoftWare\Microsofto\DevStudio\6.0\Directories ，而 WorkspaceDir 用来存放基本的工作目录。
键入 w2k_wiz MyDriver 来执行该向导，它会当前目录下创建名为 MyDriver 的工程目录，该目录将存放向导生成的 MyDriver.dsw 、 MyDriver.dsp 、 MyDriver.c 、 MyDriver.h 、 MyDriver.rc 和 MyDriver.ico 文件。如果你指定了具体的路径，则会在你指定的路径下创建该目录。另一个合法的命令选项是星号，如： w2k_wiz *MyDriver 。在此种情况下，向导不会在当前目录下创建工程目录，而是去查找 Visual C/C++ 维护的默认的工程根目录，即 w2k_wiz.ini 中的 Root 所指向的位置。
; w2k_wiz.ini
; 08-27-2000 Sven B. Schreiber
; sbs@orgon.com
[Settings]
Text = <SBS Windows 2000 Code Wizard Project>
Company = <MyCompany>
Author = <MyName>
Email = <my@email>
Prefix = <MyPrefix>
Include = E:\NTDDK\inc
Free = E:\NTDDK\libfre\i386
Checked = E:\NTDDK\libchk\i386
Root = HKEY_CURRENT_USER\Software\Microsoft\DevStudio\6.0\Directories\WorkspaceDir
示例 3-1. 向导支持的自定义选项
运行驱动向导
现在，来试试这个驱动向导。 示例 3-2 给出了在 Windows 2000 控制台下执行 w2k_wiz *TestDrv 后的输出。这将在 Visual C/C++ 默认的工程根目录下创建一个名为 TestDrv 的工程目录。
显然，除了将 .td 模板转换为 .def 时出了错，其余转换都成功的完成了。因为该向导生成的驱动程序骨架不需要 .def 文件，所以不需要提供 .td 模板文件。现在，用 Visual C/C++ 打开一个新的 WorkSpace ，然后你会发现一个名为 TestDrv 的新目录，该目录中包含一个名为 TestDrv.dsw 的 WorkSpace 文件。该文件可以被正确的打开。接下来，你因该为生成项目选择活动的配置信息。驱动向导生成的 .dsp 文件提供了如下两个可用配置：
1. Win2k Kernel-mode Driver(debug)
2. Win2k Kernel-mode Driver(release)
默认情况下，将使用 debug 配置来生成项目，但是你可在任何时候从 Visual C/C++ 菜单 Build/Set Active Configuration 来选择不同的项目配置。最后，你要将光盘中的 \src\common\include\DrvInfo.h 复制到你自己的头文件目录中。在打开 TestDrv.rc 时，应使用文本模式来打开（如 图 3-3 所示），这是因为该文件使用了来自 DrvInfo.h 中的复杂的宏定义，这些宏会导致资源编辑器异常退出。这个错误从 Visual C/C++ 5.0 开始，在我印象中，一直没有被改正过。和编辑器不同，资源编译器（ Resource Compiler ）可以正常的处理这些宏。
图 3-3. 以文本模式打开 TestDrv.c 、 TestDrv.h 和 TestDrv.rc
现在，已经为第一次编译做好了所有准备。在示例 3-3 中，我通过选择 Build/Rebuild 菜单来建立 Driver 的 Release 版，看起来一切都正常。顺便说一下，头两行末尾的省略号表示我截断了 Build 命令的输出。
链接器会在 Debug 或 Release 目录下创建了一个名为 TestDrv.sys 的可执行文件，这依赖于你的生成配置。 Test Driver 的 Release 版大小为 5.5KB ，其 Debug 版为 8KB 。你可以使用本书光盘中的 MFVDasm 或 PEView 来验证 TestDrv.sys 是否包含有效的代码和数据。
深入驱动程序的骨架
列表 3-3 展示了向导生成的 TestDrv.c 。与之相关的头文件 TestDrv.h 在 列表 3-4 中。在 列表 3-3 中，请注意标题处的 <MyName> 和 <MyCompany> 标志。如果 w2k_wiz.ini 中的作者和公司名称正确，那你自己的名字和相应的公司名称将会替代它们。
// TestDrv.c
// 08-07-2000 <MyName>
// Copyright @2005 <MyCompany>
#define _TESTDRV_SYS_
#include <ntddk.h>
#include "TestDrv.h"
// =================================================================
// DISCLAIMER
// =================================================================
/*
This software is provided "as is" and any express or implied
warranties, including, but not limited to, the implied warranties of
merc
