[Windows驱动开发]（二）基础知识——数据结构

本节主要介绍驱动开发的一些基础知识。

1. 驱动程序的基本组成

1.1. 最经常见到的数据结构

a. DRIVER_OBJECT驱动对象

// WDK中对驱动对象的定义
// 每个驱动程序都会有一个唯一的驱动对象与之对应
// 它是在驱动加载时被内核对象管理程序创建的

typedef struct _DRIVER_OBJECT {
CSHORT Type;
CSHORT Size;

//
// The following links all of the devices created by a single driver
// together on a list, and the Flags word provides an extensible flag
// location for driver objects.
//

PDEVICE_OBJECT DeviceObject;
ULONG Flags;

//
// The following section describes where the driver is loaded.  The count
// field is used to count the number of times the driver has had its
// registered reinitialization routine invoked.
//

PVOID DriverStart;
ULONG DriverSize;
PVOID DriverSection;
PDRIVER_EXTENSION DriverExtension;

//
// The driver name field is used by the error log thread
// determine the name of the driver that an I/O request is/was bound.
//

UNICODE_STRING DriverName;

//
// The following section is for registry support.  Thise is a pointer
// to the path to the hardware information in the registry
//

PUNICODE_STRING HardwareDatabase;

//
// The following section contains the optional pointer to an array of
// alternate entry points to a driver for "fast I/O" support.  Fast I/O
// is performed by invoking the driver routine directly with separate
// parameters, rather than using the standard IRP call mechanism.  Note
// that these functions may only be used for synchronous I/O, and when
// the file is cached.
//

PFAST_IO_DISPATCH FastIoDispatch;

//
// The following section describes the entry points to this particular
// driver.  Note that the major function dispatch table must be the last
// field in the object so that it remains extensible.
//

PDRIVER_INITIALIZE DriverInit;
PDRIVER_STARTIO DriverStartIo;
PDRIVER_UNLOAD DriverUnload;
PDRIVER_DISPATCH MajorFunction[IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION + 1];

} DRIVER_OBJECT;
typedef struct _DRIVER_OBJECT *PDRIVER_OBJECT;

参数说明：

DeviceObject : 每个驱动程序都会有至少一个设备对象。每个设备对象都有一个指向下一个设备对象的指针，最后一个设备对象指向空。此参数指的是驱动对象的第一个设备对象。设备对象的创建与删除都是由程序员自行处理的。
DriverName : 驱动名称，由UNICODE_STRING记录。一般格式为\Driver\[DriverName]。
HardwareDatabase : 设备的硬件数据库名称。一般格式为\REGISTRY\MACHINE\HARDWARE\DESCRIPTION\SYSTEM。
DriverStartIo : 记录StartIO派发函数地址，用于序列化操作。
DriverUnload : 指定驱动卸载时的回调函数地址。
MajorFunction : 记录处理IRP的派发函数的函数地址。
FastIoDispatch : 文件驱动中会用到此成员，用于处理快速IO请求。

驱动对象图解：



b. DEVICE_OBJECT设备对象

// WDK定义的设备对象

typedef struct DECLSPEC_ALIGN(MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT) _DEVICE_OBJECT {
CSHORT Type;
USHORT Size;
LONG ReferenceCount;
struct _DRIVER_OBJECT *DriverObject;
struct _DEVICE_OBJECT *NextDevice;
struct _DEVICE_OBJECT *AttachedDevice;
struct _IRP *CurrentIrp;
PIO_TIMER Timer;
ULONG Flags;                                // See above:  DO_...
ULONG Characteristics;                      // See ntioapi:  FILE_...
__volatile PVPB Vpb;
PVOID DeviceExtension;
DEVICE_TYPE DeviceType;
CCHAR StackSize;
union {
LIST_ENTRY ListEntry;
WAIT_CONTEXT_BLOCK Wcb;
} Queue;
ULONG AlignmentRequirement;
KDEVICE_QUEUE DeviceQueue;
KDPC Dpc;

//
//  The following field is for exclusive use by the filesystem to keep
//  track of the number of Fsp threads currently using the device
//

ULONG ActiveThreadCount;
PSECURITY_DESCRIPTOR SecurityDescriptor;
KEVENT DeviceLock;

USHORT SectorSize;
USHORT Spare1;

struct _DEVOBJ_EXTENSION  *DeviceObjectExtension;
PVOID  Reserved;

} DEVICE_OBJECT;

typedef struct _DEVICE_OBJECT *PDEVICE_OBJECT;

参数说明：

DriverObject : 指向驱动程序中的驱动对象。如果多个设备对象属于同一个驱动程序，则它们所指的驱动对象是相同的。
NextDevice : 指向下一个设备对象。
AttachedDevice : 指向下一个设备对象。如果有更高一层的驱动附加到这个驱动的时候，其指向的就是更高一层的那个驱动。
CurrentIrp : 使用StartIO派发函数的时候，它指向的是当前的IRP结构
Flags : 标志域，32位无符号整形，其值有以下几种：

DO_BUFFERED_IO : 读写操作使用缓冲方式（系统复制缓冲区）访问用户模式数据。
DO_EXCLUSIVE : 一次只允许一个线程打开设备句柄。
DO_DIRECT_IO : 读写操作使用直接方式（内存描述表）访问用户模式数据。
DO_DEVICE_INITIALIZING : 设备对象正在初始化。
DO_POWER_PAGABLE : 必须在PASSIVE_LEVEL级上处理IRP_MJ_PNP请求。
DO_POWER_INRUSH : 设备上电期间需要大电流。

DeviceExtension : 指向设备扩展对象。设备扩展对象是一个程序员自己定义的结构体。在驱动程序中，应该尽量避免全局变量的使用，因为全局变量不容易同步，所以将全局变量存在设备扩展中是一个非常好的解决方案。
DeviceType : 设备类型，常用的设备类型有：

FILE_DEVICE_BEEP：蜂鸣器设备对象。
FILE_DEVICE_CD_ROM：CD光驱设备对象。
FILE_DEVICE_CD_ROM_FILE_SYSTEM：CD光驱文件系统设备对象。
FILE_DEVICE_CONTROLLER：控制器设备对象。
FILE_DEVICE_DATALINK：数据链设备对象。
FILE_DEVICE_DFS：DFS设备对象。
FILE_DEVICE_DISK：磁盘设备对象。
FILE_DEVICE_DISK_FILE_SYSTEM：磁盘文件系统设备对象。
FILE_DEVICE_FILE_SYSTEM：文件系统设备对象。
FILE_DEVICE_INPORT_PORT：输入端口设备对象。
FILE_DEVICE_KEYBOARD：键盘设备对象。
FILE_DEVICE_MAILSLOT：邮槽设备对象。
FILE_DEVICE_MIDI_IN：MIDI输入设备对象。
FILE_DEVICE_MIDI_OUT：MIDI输出设备对象。
FILE_DEVICE_MOUSE：鼠标设备对象。
FILE_DEVICE_MULTI_UNC_PROVIDER：多UNC设备对象。
FILE_DEVICE_NAMED_PIPE：命名管道设备对象。
FILE_DEVICE_NETWORK：网络设备对象。
FILE_DEVICE_NETWORK_BROWSER：网络浏览器设备对象。
FILE_DEVICE_NETWORK_FILE_SYSTEM：网络文件系统设备对象。
FILE_DEVICE_NULL：空设备对象。
FILE_DEVICE_PARALLEL_PORT：并口设备对象。
FILE_DEVICE_PHYSICAL_NETCARD：物理网卡设备对象。
FILE_DEVICE_PRINTER：打印机设备对象。
FILEDEVICE_SCANNER：扫描仪设备对象。
FILE_DEVICE_SERIAL_MOUSE_PORT：串口鼠标设备对象。
FILE_DEVICE_SERIAL_PORT：串口设备对象。
FILE_DEVICE_SCREEN：屏幕设备对象。
FILE_DEVICE_SOUND：声音设备对象。
FILE_DEVICE_STREAMS：流设备对象。
FILE_DEVICE_TAPE：磁带设备对象。
FILE_DEVICE_TAPE_FILE_SYSTEM：磁带文件系统设备对象。
FILE_DEVICE_TRANSPORT：传输设备对象。
FILE_DEVICE_UNKNOW：未知设备对象。
FILE_DEVICE_VIDEO：视频设备对象。
FILE_DEVICE_VIRTUAL_DISK：虚拟磁盘设备对象。
FILE_DEVICE_WAVE_IN：声音输入设备对象。
FILE_DEVICE_WAVE_OUT：声音输出设备对象。
FILE_DEVICE_8042_PORT：8042端口设备。
FILE_DEVICE_NETWORK_REDIRECTOR：网卡设备对象。
FILE_DEVICE_BATTERY：电池设备对象。
FILE_DEVICE_BUS_EXTENDER：总线扩展设备对象。
FILE_DEVICE_MODEM：调制解调器设备对象。
FILE_DEVICE_VDM：VDM设备对象。
FILE_DEVICE_MASS_STORAGE：大容量存储设备对象。
FILE_DEVICE_SMB：SMB设备对象。
FILE_DEVICE_KS：内核流设备对象。
FILE_DEVICE_CHANGER：充电设备对象。
FILE_DEVICE_SMARTCARD：智能卡设备对象。
FILE_DEVICE_ACPI：ACPI设备对象。
FILE_DEVICE_DVD：DVD设备对象。

根据设备的需要，需要填写响应的设备类型。当制作虚拟设备时，应当选择FILE_DEVICE_UNKONWN类型的设备。

StackSize : 在多层驱动情况下，驱动与驱动之间会形成类似堆栈的结构。IRP会依次从最高层传递到最底层。StackSize就是驱动的层数。
AlignmentRequirement : 设备在大容量传输的时候，需要内存对齐，以保证传输速度。

c. 设备扩展

设备对象中只包含了设备的基本信息，如果需要保存其他的信息可以使用设备扩展。

设备扩展是由程序员自定义的，可以按照自己的需要添加相关的信息。设备扩展保存在非分页内存中。

在驱动程序中应该尽量避免使用全局函数，因为全局函数往往导致函数的不可重入性。将全局变量以设备扩展方式储存，加以适当的同步保护措施是一个很好的解决方案。除此之外设备扩展往往还会记录一下信息：

设备对象的反向指针。

设备状态或驱动环境信息。

中断对象指针。

控制器对象指针。

由于设备扩展是驱动程序专用的，它的结构必须在驱动程序的头文件中定义。