第9章底层开发

第9章底层开发很多程序往往需要实现和硬件打交道的功能，这种功能特别是对于那些不能开发驱动程序的语言来说，显得特别重要。

这时可以采用C或者汇编语言开发一个驱动程序，通过这些程序和驱动程序通信，实现硬件的驱动。

9.1 基于WindowsNT操作系统的端口直接读写WindowsNT/2000是一个非常出色的操作系统，凭借其安全性、可靠性、稳定性以及良好的人机交互界面，在商业高端操作系统中占据一席之地，成为工业控制计算机首选的操作系统。

然而，Windows NT并不是一个实时的操作系统，出于安全稳定性考虑，它禁止用户态的应用程序直接操纵硬件，所有涉及物理内存、磁盘、中断、端口读写的操作，必须通过一个内核态的WDM驱动程序完成，否则就会出现一个特权指令异常的消息，系统提示用户要么终止、要么调试这个出现异常的应用程序。

即便用户在WindowsNT的控制台窗口进行端口读写，IO操作要么被忽略，要么被一个叫做VDD 的虚拟设备驱动程序实现，尽管没有出现任何例外，但是用户并没有获得真正的IO口直接读写。

通过编写WDM驱动程序，用户态应用程序可以借助与WDM程序的通信(利用CreateFile、CloseHandle、DeviceIOControl)，实现IO读写，直接存取硬件。

然而，一个CPUIO指令大约只需要30多个指令周期，然而调用驱动程序再要花费6000到12000个时钟周期，这将使系统的实时性和灵敏度大打折扣。

端口指令允许所有的80X86CPU与系统中的其他硬件设备通信，从而实现对硬件设备的直接低层次控制。

在C语言中提供了类似于汇编语言的端口操作指令，允许用户实现端口的读写。

然而在WindowsNT/2000环境下，直接运行这些操作函数，将导致特权指令异常，并给出终止或者调试出错应用程序的选择。

如果在WindowsNT/2000控制台窗口中运行16位的DOS应用程序进行端口操作，这时这些IO操作要么被忽略，要么通过WindowsNT/2000虚拟设备驱动程序仿真实现。

尽管没有任何异常，但是用户得不到真正的IO操作。

这是因为WindowsNT/2000的安全机制不允许用户态的应用程序直接访问硬件，从而摧毁和搞垮WindowsNT/2000无懈可击的稳定性。

WindowsNT/2000规定用户态程序所有的IO操作必须借助于DeviceIOControl函数和内核驱动程序进行通信实现，然而和内核的通信势必会造成大量的时钟周期浪费和开销。

WindowsNT/2000只允许内核态的应用程序存取所有端口，对于用户态的程序，它通过设置IOPL实现了对IO操作的屏蔽。

为了实现在用户态的直接IO操作，用户必须通过编写驱动程序去掉对读写端口的屏蔽。

我们知道WindowsNT实现IO读写保护是有原因的，一方面它使系统异常的稳定，用户再也不必为Windows9x下的蓝屏和异常而苦恼了。

用户可以放心大胆地调试应用程序，即便程序出现死锁，系统也会干脆利落地把它杀死，而不会波及到整个系统。

IO读写保护与Windows98保护8253定时器端口是一样道理，它的目的就是防止用户使用简单的in/out指令，从而把系统搞垮。

但是，对于大量的信号采集的系统而言，应用程序开发人员会更关心系统的实时性，更习惯于在程序中直接使用in/out指令实现信号采集。

因此必须打破WindowsNT环境下的IO瓶颈，使得用户态的应用程序拥有IO读写权限，实现实时控制。

弄清楚如何把IO存取权授权给用户态的应用程序，用户必须了解WindowsNT环境下IO保护是如何实现的。

WindowsNT本身并不能实现IO保护，由于CPU能够捕捉尝试的IO存取，WindowsNT利用了80x86这一特征。

80x86采用了特权级别系统，它总共定义了0、1、2、3四个级别，即我们所说的Ring环。

出于对ALPHA平台的兼容性，80x86仅使用了权限最高的Ring0和最低的ring3，CPU的当前运行权限级(CPL)保存在CS代码段寄存器的两位中。

IO权限并不是由CPU静态定义的。

CPU在处理器的标志寄存器Eflags的某两位定义了当前的IO权限级别(IOPL)，通过比较当前的IO权限级和CPU的当前运行权限级，来决定IO指令能否自由使用。

由于当前的IO权限级总是大于等于0，因此运行在Ring0环的内核模式的设备驱动程序，总是可以直接对IO端口进行存取。

而运行在用户态的应用程序，工作在Ring3环，WindowsNT 把当前的IO权限级设置为0，因此，用户态的程序尝试端口存取时，必须经过保护机制。

判断CPL＞IOPL，仅仅是保护机制的第一步，I/O保护要么全有，要么全无。

处理器采用了更为灵活的机制，使得操作系统能够根据任务的不同，对端口的任何子集进行授权。

CPU是采用了一个位屏蔽矩阵(IOPM)实现这一步的。

这个矩阵由0，1组成，每一个二进制位对应一个输入输出端口。

这样，65536个端口共需要8192个字节，如果某一二进制位值为0，那么程序对该端口的读写就会不加阻拦。

当然用户不能对一个只读端口进行写操作，只能对端口进行读操作。

位屏蔽矩阵(IOPM)保存在主存的任务状态段结构中，我们可以通过NTOSKRNL库提供的一些内核模式设备驱动例程，实现对该位屏蔽矩阵进行读写，以便对某些端口进行授权。

注意这些服务例程，在DDK帮助文档中并没有说明，并不能保证下个版本是否支持。

我们可以通过VisualStudio提供的ViewDependcy工具打开windows/system32/driver/videoprt.sys，发现它调用了ntoskrnl.exe中的几个未见文档的服务例程。

尽管没有说明，但顾名思义，我们也可以看出这些函数要干什么。

extern"C"{void Ke386SetIoAccessMap(int,NTPORT*);//复制位图影像到NTPORT结构指针中//int:1复制缓冲区,0用0xff填充voidKe386QueryIoAccessMap(int,NTPORT*);//查询当前IOPMvoid Ke386IoSetAccessProcess(PEPROCESS,int);}}//int:1允许I/O,0禁止I/OPsGetCurrentProcess() //获得当前进程设备驱动程序的加载是一个非常麻烦的事情。

对于一个不是硬件的虚拟设备，用户不得不创建一个安装程序，或者编写一个.inf文件，利用控制面板中的添加新硬件功能，加入一个其它设备，或者直接编辑注册编辑表，把驱动程序复制到WINNT系统目录的Drivers32子目录中，有时还需要用户重新启动计算机。

而用户需要的功能仅仅是一次(也许是最后一次)辅助驱动用户的小程序。

正因为这个原因，本程序提供了一个设备驱动程序加载工具，实现设备驱动程序的动态加载，用户不用做任何添加新硬件的操作，也不用编辑注册表和重新启动计算机。

驱动程序不一定位于系统目录中，但要求和程序提供的NTPORT.dll文件位于同一目录。

本程序参考了NumegaDriveStudio提供的loaddrv例子程序。

下面简要介绍一下程序调用的有关API函数。

(1)首先使用OpenSCManager函数与指定服务控制管理器建立联系，打开指定的服务控制管理数据库。

schSCManager=OpenSCManager(NULL,NULL,SC_MANAGER_ALL_ACCESS);(2)利用CreateService函数创建一个服务对象，并把它加入到指定的服务控制管理数据库中。

SC_HANDLEschService=CreateService(SchSCManager,DriverName,DriverName,SERVICE_ALL_ACCESS,SERVICE_KERNEL_DRIVER,SERVICE_DEMAND_START,SERVICE_ERROR_NORMAL,ServiceExe,NULL,NULL,NULL,NULL,NULL);具体参数请参考MSDN。

(3)用函数StartService启动一个服务，启动前用OpenService打开服务。

BOOL StartService(SC_HANDLE hService,DWORD dwNumServiceArgs,LPCTSTR *lpServiceArgVectors);(4)用CreateFile打开设备，设备名为驱动程序中用IoCreateSymbolicLink服务创建的符号连接名。

如果执行成功，用户就可以利用DeviceIOControl函数接口与驱动程序进行通信了。

例9-1DirectIO实现。

#include<ntddk.h>#define DEVICE_NAME_STRINGL"ZNtPort"#define IOPM_VERSION 110#define IOPM_TEST 00123#define IOPM_TEST 11234#define IOPM_TEST 22345#define IOPMD_TYPE 0xF100#define IOCTL_IOPMD_READ_TESTCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x900,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_READ_VERSIONCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x901,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_CLEAR_LIOPMCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x910,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_SET_LIOPMCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x911,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_GET_LIOPMBCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x912,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_GET_LIOPMACTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x913,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) //Interact with kernel#define IOCTL_IOPMD_ACTIVATE_KIOPMCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x920,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_DEACTIVATE_KIOPMCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x921,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define IOCTL_IOPMD_QUERY_KIOPMCTL_CODE (IOPMD_TYPE,0x922,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS) #define ZNtPort_PARAMCOUNT 3#define ZNtPort_PARAMCOUNT _BYTESZNtPort_PARAMCOUNT*4#define IOPM_SIZE0x2000typedef UCHARIOPM[IOPM_SIZE];IOPM *IOPM_local=0;Void Ke386SetIoAccessMap(int,IOPM*);Void Ke386QueryIoAccessMap(int,IOPM*);Void Ke386IoSetAccessProcess(PEPROCESS,int);Void disp_ACTIVATE_KIOPM(void){Ke386IoSetAccessProcess(PsGetCurrentProcess(),1); Ke386SetIoAccessMap(1,IOPM_local);}Void disp_DEACTIVATE_KIOPM(void) { Ke386IoSetAccessProcess(PsGetCurrentProcess(),0);}Void disp_QUERY_KIOPM(void) { Ke386QueryIoAccessMap(1,IOPM_local);}Void disp_CLEAR_LIOPM(void){int n;for(n=0;n<IOPM_SIZE;n++)(*IOPM_local)[n]=0xFF;}NTSTATUSZNt Port_Dispatch(INPDEVICE_OBJECTDeviceObject,INPIRPpIrp){int Ix,B;PIO_STACK_LOCATION pIrpStack;NTSTATUS Status;PULONG pIOBuffer;ULONG InBufferSize;ULONG OutBufferSize;ULONG OutByteCount;ULONG IoControlCode;pIrpStack=IoGetCurrentIrpStackLocation(pIrp);Status=STATUS_NOT_IMPLEMENTED;OutByteCount=0;switch(pIrpStack->MajorFunction){case IRP_MJ_CREATE: Status=STATUS_SUCCESS; break;case IRP_MJ_CLOSE: Status=STATUS_SUCCESS; break;case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:InBufferSize=pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength;OutBufferSize=pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength;pIOBuffer=(PULONG)pIrp->AssociatedIrp.SystemBuffer;IoControlCode=pIrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;switch(IoControlCode){case IOCTL_IOPMD_READ_TEST: pIOBuffer[0]=IOPM_TEST0;pIOBuffer[1]=IOPM_TEST1;pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_SUCCESS;break;Case IOCTL_IOPMD_READ_VERSION:pIOBuffer[0]=IOPM_VERSION;pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_SUCCESS;break;Case IOCTL_IOPMD_CLEAR_LIOPM: disp_CLEAR_LIOPM();pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES; Status=STATUS_SUCCESS; break;Case IOCTL_IOPMD_SET_LIOPM:Ix=pIOBuffer[0]&0x1FFF;B=pIOBuffer[1]&0xFF;(*IOPM_local)[Ix]=B;disp_ACTIVATE_KIOPM();pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_SUCCESS;break;Case IOCTL_IOPMD_GET_LIOPMB: disp_QUERY_KIOPM();Ix=pIOBuffer[0]&0x1FFF;B=(*IOPM_local)[Ix];pIOBuffer[1]=B&0x000000FF;pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_SUCCESS;break;Case IOCTL_IOPMD_GET_LIOPMA:disp_QUERY_KIOPM();if(OutBufferSize<IOPM_SIZE){ Status=STATUS_INVALID_PARAMETER;}else{ for(Ix=0;Ix<IOPM_SIZE;Ix++) ((PUCHAR)pIOBuffer)[Ix]=(*IOPM_local)[Ix];} OutByteCount=IOPM_SIZE;Status=STATUS_SUCCESS;} break;Case IOCTL_IOPMD_ACTIVATE_KIOPM: disp_ACTIVATE_KIOPM();pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES; Status=STATUS_SUCCESS;break;Case IOCTL_IOPMD_DEACTIVATE_KIOPM: disp_DEACTIVATE_KIOPM();pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_SUCCESS;break;Case IOCTL_IOPMD_QUERY_KIOPM: disp_QUERY_KIOPM();pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_SUCCESS;break;default:pIOBuffer[2]=IoControlCode;OutByteCount=ZNtPort_PARAMCOUNT_BYTES;Status=STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST;break;}break;}pIrp->IoStatus.Status=Status;pIrp->rmation=OutByteCount; IoCompleteRequest(pIrp,IO_NO_INCREMENT); return Status;}VOID ZNtPort_Unload(INPDR IVER_OBJECTDriverObject){ WCHARD OSNameBuffer[]=L"\\DosDevices\\"DEVICE_NAME_STRING;UNICODE_STRING uniDOSString;if(IOPM_local)MmFreeNonCachedMemory(IOPM_local,sizeof(IOPM));RtlInitUnicodeString(&uniDOSString,DOSNameBuffer);IoDeleteSymbolicLink(&uniDOSString);IoDeleteDevice(DriverObject->DeviceObject);}NTSTATUS DriverEntry(INPDRIVER_OBJECT DriverObject,INPUNICODE_STRING RegistryPath){PDEVICE_OBJECTdeviceObject;NTSTATUS status;WCHARNameBuffer[]=L"\\Device\\"DEVICE_NAME_STRING;WCHARDOSNameBuffer[]=L"\\DosDevices\\"DEVICE_NAME_STRING;UNICODE_STRING uniNameString,uniDOSString;Int n; IOPM_local=MmAllocateNonCachedMemory(sizeof(IOPM));if(IOPM_local==0) return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;disp_CLEAR_LIOPM();RtlInitUnicodeString(&uniNameString,NameBuffer);RtlInitUnicodeString(&uniDOSString,DOSNameBuffer);status=IoCreateDevice(DriverObject,0,&uniNameString,IOPMD_TYPE,0,FALSE,&deviceObject);if(!NT_SUCCESS(status)) return status;status=IoCreateSymbolicLink(&uniDOSString,&uniNameString);if(!NT_SUCCESS(status)) return status;DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]=ZNtPort_Dispatch;DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL]=ZNtPort_Dispatch;DriverObject->DriverUnload=ZNtPort_Unload; return STATUS_SUCCESS;}为了方便使用，这里把通信代码封装到一个COM组件中，提供了简单的接口。