浅析设备驱动程序通知应用程序的几种方法

论文关键词:设备驱动程序 异步i/o virtual device driver（vxd） windows driver model（wdm）

论文摘要:在目前流行的windows操作系统中，设备驱动程序是操纵硬件的最底层软件接口。为了共享在设备驱动程序设计过程中的经验，给出设备驱动程序通知应用程序的5种方法，详细说明每种方法的原理和实现过程，希望能够给设备驱动程序的设计者提供一些帮助。

为了保证操作系统的安全性和稳定性以及应用程序的可移植性，windows操作系统不允许应用程序直接访问系统的硬件资源，而是必须借助于相应的设备驱动程序。设备驱动程序可以直接操作硬件，如果应用程序和设备驱动程序之间实现了双向通信，也就达到了应用程序控制底层硬件设备的目的。它们之间的通信包括两个方面：一方面是应用程序传送给设备驱动程序的数据；另一方面是设备驱动程序发送给应用程序的消息。前者的实现较容易，通过createfile()函数获取设备驱动程序的句柄后，就可以使用win32函数，如deviceiocontrol()、readfile()或writefile()等实现应用程序与设备驱动程序之间的通信。后者的实现远比前者复杂，同时介绍这方面情况的文章较少。这不等于说它不重要，相反，它在有些应用场合发挥着重要的作用。设备驱动程序完成数据的采集工作后，需要马上通知应用程序，以便应用程序能够及时将数据取走并进行处理。诸如此类情况，不一而足。

鉴于设备驱动程序通知应用程序的重要性，本人结合一些经验，对它进行了总结，归纳出5种方法：异步过程调用(apc)、事件方式（vxd）、消息方式、异步i/o方式和事件方式(wdm)。下面分别说明这几种方式的原理，并给出实现的部分源代码。

1 异步过程调用(apc)

win32应用程序使用createfile()函数动态加载设备驱动程序，然后定义一个回调函数backfunc()，并且将回调函数的地址&backfunc()作为参数，通过deviceiocontrol()传送给设备驱动程序。设备驱动程序获得回调函数的地址后，将它保存在一个全局变量（如callback）中，同时调用get_cur_thread_handle()函数获取它的应用程序线程的句柄，并且将该句柄保存在一个全局变量（如appthread）中。当条件成熟时，设备驱动程序调用_vwin32_queueuserapc()函数，向win32应用程序发送消息。这个函数带有三个参数：第一个参数为回调函数的地址（已经注册）；第二个参数为传递给回调函数的消息；第三个参数为调用者的线程句柄（已经注册）。win32应用程序收到消息后，自动调用回调函数（实际是由设备驱动程序调用）。回调函数的输入参数是由设备驱动程序填入的，回调函数在这里主要是对消息进行处理。

2 事件方式（vxd）

首先，win32应用程序创建一个事件的句柄，称其为ring3句柄。由于虚拟设备驱动程序使用事件的ring0句柄，因此，需要创建ring0句柄。用loadlibrary()函数加载未公开的动态链接库kernel32.dll，获得动态链接库的句柄。然后，调用getprocaddress(), 找到函数openvxdhandle()在动态链接库中的位置。接着，用openvxdhandle()函数将ring3事件句柄转化为ring0事件句柄。win32应用程序用createfile()函数加载设备驱动程序。如果加载成功，则调用deviceiocontrol()函数将ring0事件句柄传给vxd；同时，创建一个辅助线程等待信号变成有信号状态，本身则可去干其它的事情。当条件成熟时，vxd置ring0事件为有信号状态（调用_vwin32_setwin32event()函数），这马上触发对应的ring3事件为有信号状态。一旦ring3事件句柄为有信号状态，win32应用程序的辅助线程就对这个消息进行相应的处理。

3 消息方式

win32应用程序调用createfile()函数动态加载虚拟设备驱动程序。加载成功后，通过调用deviceiocontrol()函数将窗体句柄传送给vxd，vxd利用这个句柄向窗体发消息。当条件满足时，vxd调用shell_postmessage()函数向win32应用程序发送消息。要让该函数使用成功，必须用#define来自定义一个消息，并且也要照样在应用程序中定义它；还要在消息循环中使用on_message()来定义消息对应的消息处理函数，以便消息产生时，能够调用消息处理函数。shell_postmessage()函数的第一个参数为win32窗体句柄，第二个参数为消息id号，第三、四个参数为发送给消息处理函数的参数，第五、六个参数为回调函数和传给它的参数。win32应用程序收到消息后，对消息进行处理。

4 异步i/o方式

win32应用程序首先调用createfile()函数加载设备驱动程序。在调用该函数时，将倒数第2个参数设置为file_attribute_normal|file_flag_overlapped，表示以后可以对文件进行重叠i/o操作。当设备驱动程序文件创建成功后，创建一个初始态为无信号、需要手动复位的事件，并且将这个事件传给类型为overlapped的数据结构（如overlapped）。然后，将overlapped作为一个参数，传给deviceiocontrol()函数。设备驱动程序把这个i/o请求包（irp）设置为挂起状态，并且设置一个取消例程。如果当前irp队列为空，则将这个irp传送给startio()例程；否则，将它放到irp队列中。设备驱动程序做完这些工作后，结束这个deviceiocontrol()的处理，于是win32应用程序可能不等待irp处理完，就从deviceiocontrol()的调用中返回。通过判断返回值，得到irp的处理情况。如果当前irp处于挂起状态，则主程序先做一些其它的工作，然后调用waitforsingleobject()或waitformultipleobject()函数等待overlapped中的事件成为有信号状态。设备驱动程序在适当的时候处理排队的irp，处理完成后，调用iocompleterequest()函数。该函数将overlapped中的事件设置为有信号状态。win32应用程序对这个事件马上进行响应，退出等待状态，并且将事件复位为无信号状态，然后调用getoverlappedresult()

函数获取irp的处理结果。

5 事件方式（wdm）

win32应用程序首先创建一个事件，然后将该事件句柄传给设备驱动程序，接着创建一个辅助线程，等待事件的有信号状态，自己则接着干其它事情。设备驱动程序获得该事件的句柄后，将它转换成能够使用的事件指针，并且把它寄存起来，以便后面使用。当条件具备后，设备驱动程序将事件设置为有信号状态，这样应用程序的辅助线程马上知道这个消息，于是进行相应的处理。当设备驱动程序不再使用这个事件时，应该解除该事件的指针。

6 结语

在目前流行的windows操作系统中，设备驱动程序是操纵硬件的最底层软件接口。它向上提供与硬件无关的用户接口，向下直接进行i/o、硬件中断、dma和内存访问等操作。它将应用程序与硬件细节屏蔽开来，使软件不依赖于硬件并且可在多个不同的平台之间移植。本文介绍了5种设备驱动程序通知应用程序的方法，其中前3种方法主要用于vxd中，后2种方法主要用于wdm。这5种方法都经过实际测试。测试结果表明，它们都能够达到设备驱动程序通知应用程序的目的。

参考文献：

[1]欧青立，徐建波，李方敏，等. 虚拟设备驱动程序vxd的研究与开发. 计算机工程，2003

[2](美)chris cant. windows wdm设备驱动程序开发指南. 孙义, 马莉波, 国雪飞等译. 北京: 机械工业出版社 2000

[3]李和平. 基于dsp的ict图像重建系统研究. 北京: 北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 2002