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驱动的工作原理

一.DOS 时期在窗口概念还没出现的时代，驱动出现就已经诞生。早期的BIOS通过常用的软件中断开放

驱动程序的服务，如磁盘管理和键盘等。最初的DOS操作系统允

许用户通过配置congfig.sys文件将新的驱

动程序加载进操作系统内核。那个时代的用户一定深有体会，为了能让《仙剑奇侠传》有音乐效果，我们

都曾不厌其烦地摆弄过DOS恼人的声卡驱动程序。由于这样的驱

动安装方法过于繁琐，因此程序员便将相

关的驱动程序直接嵌入到应用程序中，开发出软硬结合的程序。

二.Windows 3.x 时期早期的Windows仍然是运行在实模式状态下，充其量不过是增强版本的MS-DOS

Shell而已，因此DOS和BIOS的驱动仍然最为重要。Inter 80286处理器的出现，使Windows能在保护模式中

运行管理16MB内存空间，依靠在保护模式和实模式之间的切换来完成系统需求，我们把这种运行模式称之

为Windows标准模式。Inter 80386处理器的问世使Windows 进化到增强模式，这是虚拟设备的概念逐渐形

成。对应用程序而言虚拟机就像独立的个人电脑，拥有自己的键盘、鼠标、显示器等硬件。实际上经过所

谓的虚拟化，数个虚拟机还是共享相同的硬件。

三.Windows 95 时期Windows95终结了DOS实模式的历史，是真正独立的32位操作系统。Win95使用数

种不同的驱动驱动程序模型。在操作系统中，程序必须通过系统内

核上的驱动来控制硬件，而这些驱动必

须完全符合操作系统对驱动加载、连接、读写的规定，并且使用相

关系统API（Application Programming

Interface）函数来控制。Windows 95的驱动程序类型以VXD为中心VXD又称虚拟设备驱动。它不仅适用于

硬件设备，还能虚拟出不存在的"软件设备"，如虚拟光驱。所有运行Windows的程序都分为两个保护级：

Ring0和Ring3。系统进程运行于Ring0级，这个保护级的程序拥有完全的系统控制权限，可对所有的系统

资源进行访问与管理；普通应用程序运行与Ring3级，不允许对系统资源进行直接访问且很多操作系统也

受到限制，如果程序强行访问的话，Windows就会给出出错提示

并强制结束——我们会经常看到某些程序

运行中出现"常规保护错误"等错误提示，也就是这个原因。所有的Ring3级程序在Windows下都受到80×

86保护模式的严格"监视"，使应用程序无法进行高级的操作，不过，VXD能使应用程序具有扩展操作系统

的能力，开发人员通过让运行于Ring3级的普通程序加载具有

Ring0级的VXD，从而实现底层控制。不幸的

是，著名的"CIH"病毒就是利用了VXD技术才可以破坏主板BIOS。

四.Windows NT 时期Windows NT操作系统存在3种类型的驱动程序：1.虚拟设备驱动（Virtual

device Driver），能让Win 16应用程序可以访问特定的I/O端口。2.GDI驱动，提供显示和打印所需的GDI

函数。3.内核模式驱动（Kernel Mode Driver）,也是Windows NT中唯一可对硬件中断和DMA进行操作的驱

动。Windows NT的保护模式比Windows 95更加完善，它限制了普通应用程序的I/O操作且几乎不可能进入

到Ring0层。虽然众多"保护"让程序开发者们头疼不已，但这些措施却使系统的稳定性提升到前所未有的

高度。

五.Windows 98/2000 时期微软在1996年推出了全新的设备驱动类型——WDM（Windows Driver

Model），取代了VXD成为Windows操作系统的核心。WDM由Windows NT的内核模式驱动发展而来增加了电源

管理和即插即用的支持。虽然Windows 98仍然支持VXD（已开始使用WDM），但微软极力推广WDM驱动方式

并在Windows 2000系统中放弃了对VXD的支持。在微软随后的操作系统中，WDM模型被不断完善，已经成为

驱动程序的主流。

六.Windows XP/Server2003 Windows XP和Windows Server2003仍然沿用了WDM模型，不过不同操作系

统的WDM内容并不相同。一般来说，新版本的WDM向下兼容。另外，微软宣称Windows Longhorn操作系统要

推迟到2006年发布，但从预览版的情况和最新发布的Windows Longhorn设备驱动开发包（LDK）中，可预

测Longhorn仍将使用WDM模型。看来，微软是要将WDM进行到底了。通过上面的介绍，我们了解到驱动程

序的重要性，但其工作原理却鲜为人知。驱动程序如何识别硬件？它是怎么被安装到系统中？即插即用和

驱动程序有什么关系？我们以目前最主流的驱动模型——WDM模型为例来为大家揭开驱动世界的神秘面纱

。

七.WDM 模型WDM模型采用分层结构，首先是由核心模型来描述设备驱动程序的标准结构；其次微软

为常见类型的设备提供一系列的总线驱动程序和类型驱动程序。核心模型描述驱动程序如何安装和启动，

类驱动则具有为许多标准类型设备所需的基本功能。标准的WDM 驱动应该包含1个总线驱动和1个功能驱动

。总线驱动：总线驱动已经包含在Windows中，不必另行安装。总线包括PCI、AGP、并口、串口、IEEE

1394接口等。总线驱动主要负责管理总线设备，例如当我们在

PCI插槽上插入新硬件，开启电脑并进入系

统后总线驱动开始工作——报告发现新硬件，并提示用户安装驱动

程序。不仅如此，总线驱动还会实时向

操作系统报告总线设备状态，检测总线上有什么类型的设备，这就

是家喻户晓的"即插即用"。总线设备还

负责设备的电源管理（ACPI），比如Windows的休眠功能。当我

们通过控制面板选择不同电源管理模式时

，电源管理器就会通过系统发出的电源命令向总线驱动发出改变电

源状态的请求，总线驱动会响应这些请

求并设置相应设备的电源状态。功能驱动：这就是常说的驱动程序，由类驱动程序和Mini驱动程序组成

。其中，类驱动用来处理常规系统事务，如电源管理和即插即用，

这都是由微软定义好的，程序开发者只

需要编写Mini驱动即可。功能驱动一般由设备生产厂商提供，用以实现硬件设备的具体功能。例如NVIDIA

系列显卡只有在"雷管"驱动的支持下才能使用抗锯齿和各项异性过虑。过虑驱动：过虑驱动程序位于其

他的驱动程序层之间，提供一些附加功能但不影响其他驱动程序，

例如不少品牌电脑宣传的一键上网功能

是通过键盘过虑驱动和应用程序来实现的。

八.WDM 驱动工作流程