Win32 API驱动开发速成班：从新手到专家的完整路径


参考资源链接：[Win32 API参考手册中文版：程序开发必备](https://wenku.csdn.net/doc/5ev3y1ntwh?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Win32 API驱动开发概述

在深入探讨Windows驱动开发技术之前，我们需要对Win32 API驱动开发有一个概览。Win32 API驱动开发涉及的是操作系统底层的编程实践，这允许开发者创建能够直接与硬件交互的软件组件。驱动程序作为系统核心组成部分，扮演着链接硬件和操作系统的桥梁角色。在本章中，我们将探讨驱动开发的基本概念、必要性以及它在现代计算环境中的应用场景。这些基础知识将为理解后续章节中的高级技术打下坚实的基础。

# 2. Windows驱动基础架构

## 2.1 Windows内核和驱动模型

### 2.1.1 内核模式与用户模式的区别

在Windows操作系统中，内核模式与用户模式是两种运行权限级别，它们有着本质上的差异，这些差异决定了操作系统运行安全性和稳定性。

**内核模式**具有对系统所有功能和内存的完全访问权限。操作系统内核、硬件抽象层(HAL)、以及各种驱动程序运行在内核模式下。内核模式代码可以执行各种操作，包括直接访问硬件、改变系统设置、以及控制用户模式下的进程和线程。由于这种权限级别极高，内核模式的任何失败都可能导致系统崩溃。

**用户模式**是应用程序通常运行的环境。与内核模式不同，用户模式下的代码不能直接访问硬件或直接操作其他进程的内存，这限制了权限，增加了系统的安全性。如果应用程序发生崩溃，它通常不会影响到系统中其他程序或操作系统的稳定性。

在设计Windows驱动时，开发者必须清楚地意识到这两种模式的区别，以确保驱动程序能够安全、高效地执行。

### 2.1.2 Windows驱动程序的分类和特点

Windows驱动程序分为几种基本类型，每种类型都有其特定的应用场景和特点：

- **文件系统驱动（File System Drivers，FSDs）**：负责实现文件系统，控制对磁盘和网络共享的访问。它们管理文件的读写、创建、删除等操作。
- **网络驱动（Network Drivers）**：包括传输驱动和小端口驱动，负责处理网络数据包的发送和接收，提供网络功能的支持。
- **显示驱动（Display Drivers）**：负责渲染图像到显示设备，通常处理视频内存的管理以及图形和视频输出。
- **音频驱动（Audio Drivers）**：控制音频设备与系统之间的通信，管理音频流的播放和录音。
- **总线驱动（Bus Drivers）**：管理物理总线，如PCI、USB等，负责检测设备连接，启动其他类型的驱动程序。

每种驱动程序都需要实现特定的接口和协议，以便系统能够管理它们。驱动程序通常需要严格遵循Windows驱动模型（Windows Driver Model，WDM）或Windows驱动框架（Windows Driver Frameworks，WDF），以确保与操作系统的兼容性和稳定性。

## 2.2 驱动程序入口点和结构

### 2.2.1 DriverEntry函数的剖析

在Windows驱动开发中，`DriverEntry`函数是驱动程序的入口点，类似于传统的C语言程序中的`main`函数。`DriverEntry`必须由驱动程序实现，其原型如下：

NTSTATUS DriverEntry(
  _In_ PDRIVER_OBJECT DriverObject,
  _In_ PUNICODE_STRING RegistryPath
);

- `DriverObject`：指向驱动对象的指针，此对象包含指向驱动程序支持的各种系统定义的回调函数指针。
- `RegistryPath`：指向包含驱动程序在注册表中相关信息的Unicode字符串。

当驱动程序加载时，`DriverEntry`函数被调用，执行初始化操作，如分配资源、设置回调函数等。在这个函数中，开发者通常会设置驱动程序的卸载例程（`DriverUnload`）、以及各种IRP处理例程，这些例程会在接收到特定IRP请求时被操作系统调用。

### 2.2.2 驱动程序的基本结构

驱动程序的基本结构主要由以下部分组成：

- **驱动对象（Driver Object）**：包含了驱动程序提供的入口点函数列表、卸载函数以及驱动程序的私有数据。
- **设备对象（Device Object）**：表示一个设备。一个驱动程序可能会创建多个设备对象来表示同一类或不同类的多个设备。
- **IRP处理函数**：每个驱动程序必须至少实现两个IRP处理例程：`IRP_MJ_CREATE`（文件打开）和`IRP_MJ_CLOSE`（文件关闭），以及`IRP_MJ_DEVICE_CONTROL`（设备控制）等，用于响应来自应用程序或其它驱动程序的I/O请求。
- **回调函数**：允许驱动程序响应系统事件，如设备连接、断开等。
- **服务函数**：提供各种服务接口，用于执行特定的操作。

开发者在设计驱动程序时，要注重这些结构组件之间的逻辑关系和协同工作。

## 2.3 管理硬件设备的IRP处理

### 2.3.1 IRP基础和请求流程

I/O请求包（I/O Request Packet，IRP）是Windows内核I/O子系统中的核心概念。IRP用于在用户模式和内核模式之间、以及不同内核模式组件之间传递I/O请求。

当用户模式的应用程序发起一个I/O操作，如读取或写入文件，请求首先被转发到相应的内核模式驱动程序。驱动程序根据请求创建IRP，并填充IRP结构体中的信息，包括操作类型、目标设备、缓冲区指针、完成例程等。然后驱动程序将IRP向下传递到堆栈中的下一个驱动程序或直接发送到目标设备。

IRP请求流程分为以下几个步骤：

1. **创建IRP**：驱动程序根据I/O请求创建一个IRP，并设置相应的参数。
2. **分派IRP**：驱动程序使用`IoCallDriver`将IRP发送给下一个驱动程序，或者直接发送给物理设备。
3. **处理IRP**：每个堆栈位置上的驱动程序根据自己的功能处理IRP，并设置其状态。
4. **完成IRP**：IRP被标记为完成状态，并逐级返回，最终将完成信息传递回最初发起的用户模式应用程序。

IRP的正确处理对系统的稳定性至关重要，因此驱动程序开发中对IRP的管理必须精确且高效。

### 2.3.2 IRP处理函数的编写

在驱动程序开发中，IRP处理函数的编写是核心任务之一。驱动程序必须为每个IRP请求类型提供一个处理函数，这些函数通常被称为IRP派发例程。

开发者需要为IRP_MJ_CREATE、IRP_MJ_CLOSE、IRP_MJ_DEVICE_CONTROL等预定义的IRP请求类型实现相应的处理函数。下面是一个处理IRP_MJ_CREATE请求的示例代码：

NTSTATUS
MyDriverCreateDispatch(
  _In_ struct _DEVICE_OBJECT *DeviceObject,
  _Inout_ struct _IRP *Irp
)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(DeviceObject);

    PAGED_CODE(); // 确保代码运行在分页内存区域

    // 设置IRP的最终状态为成功
    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
    // 完成IRP请求
    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);

    // 返回操作的状态码
    return STATUS_SUCCESS;
}

在这个函数中，首先设置了IRP的状态码为`STATUS_SUCCESS`，表明IRP处理成功。随后使用`IoCompleteRequest`函数完成IRP的处理。如果请求未被处理，通常会返回一个错误状态码。

IRP处理函数的编写要求开发者熟悉Windows I/O管理架构，并能够理解不同类型的IRP请求及其对驱动程序的意义。此外，开发者还需确保对IRP的管理是高效且安全的，避免资源泄露或死锁等问题。

通过以上内容，我们介绍了Windows驱动程序基础架构的核心概念和关键组件。在下一章节中，我们将深入探讨如何在实际编程中操作设备和驱动对象，以及系统服务和回调函数的使用，从而为深入的驱动程序开发打下坚实基础。

# 3. 深入Win32 API驱动编程

深入探讨Win32 API驱动编程不仅涉及到编程接口的使用，还涉及到操作系统内部的工作机制。本章将详细介绍如何操作设备和驱动对象、利用系统服务与回调函数，以及在驱动程序开发过程中如何进行错误处理和调试。

## 3.1 设备和驱动对象操作

在Win32 API驱动编程中，理解和操作设备和驱动对象是基础，也是关键。这一部分将具体讲述创建和控制设备对象，以及如何扩展和管理驱动对象。

### 3.1.1 设备对象的创建和控制

设备对象代表了与驱动程序关联的硬件设备或软件设备。创建设备对象是驱动程序与设备交互的第一步。在Windows驱动开发中，通常通过`IoCreateDevice` API来创建设备对象。

NTSTATUS DriverEntry(
    _In_ PDRIVER_OBJECT  DriverObject,
    _In_ PUNICODE_STRING RegistryPath
)
{
    // 设备对象创建前的初始化代码...

    // 创建设备对象
    NTSTATUS status = I