如何开发Windows NT设备驱动程序

Answer 1

一、开发工具
1，虚拟机和操作系统
本人使用的win10操作系统，并安装了“VMware Station11”，在虚拟机中暂时只安装了一个“win7 x64”操作系统，后续将安装一个win10虚拟机系统。一般情况下，我都是在虚拟机操作进行驱动的安装和调试，这样可以防止将本机的操作系统弄乱。
后续将尝试“通过本机winDbg来调试虚拟机中的驱动”。这是一个比较高级的调试方法，点击打开链接。
2，开发工具
本人主要使用“WDK7600”（点击打开链接）和"VS2015+wdk10"（点击打开链接）。我把前者安装在“win7 X64”虚拟机中安装，把后者安装在本机和实验室电脑上。由于我使用的教材《Windows驱动开发详解》和学习博客都是用wdk7这个版本开发，为了环境一致，故选择了在虚拟机上试验这些教材上的示例代码。
关于wdk7，参考博客：点击打开链接。
关于“VS2015+wdk10”，需要在win10系统下，先安装VS2015，再安装wdk10，此外还要安装VS2015的update。（winDbg集成到了wdk10下，路径：C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Debuggers\x64）。
注意事项：
1）VS2015默认安装，是不安装c++和sdk的，需要选择自定义安装；
2）如果已经默认安装了，这个时候再安装wdk10，会给出警告；
3）此时，可以选择先用VS2015新建一个c++项目，然后会提示你安装c++部分的模块；
4）安装好后，就可以正常安装wdk10了，如果wdk10安装好后，还有编译问题，也需要先去VS下看看是否却c++相关模块，并按上述3安装完整。
另一个需要注意的是，编译报“Inf2Cat error -2: "Inf2Cat, signability test failed. "Double click to see the tool output”，
参考博客：点击打开链接
是因为inf文件的“DriverVer”的时间不对，VS2015默认的“Inf2cat”中的时间为UTF，需要在工程属性-》“inf2cat”选择中，将local时间打开。
3，调试工具
1）debugview
在驱动程序中，调用KdPrint函数（类似C语言中printf），然后通过debugview查看打印信息。这是最常用的一种调试方法。
需要注意的是：首先要在“capture”菜单中勾选“kernel”相关的选项，表示抓取内核的信息。然后，需要使用“管理员身份”运行该软件。Debugview在win10下经常报错：

需要到“C:\Windows\System32\drivers”中找到“dbgv.sys”，删除它，再使用“管理员身份”运行该软件。
2）

4，调试手段
1）驱动安装阶段，可以到“C:\Windows\System32\drivers”目录下看相应的“sys”文件是否到位。
2）cmd->regedit打开注册表，再在“编辑”菜单下“查找”对应的设备信息。
3）使用KdPrint函数打印log和DebugView软件抓取log（最常用的手段）；
4）在驱动代码中写log文件（理论上可行，待探索）；
5）存储dump信息。所谓dump信息，就是在系统奔溃之前，操作系统会将当前的调用堆栈记录成一个dump文件。（详细设置系统转存dump信息，可以参考《Windows驱动开发技术详解》最后一章，或博客：点击打开链接）。设置好dump文件后，遇到蓝屏，再将dump文件放到WinDbg中查看，这也是一个中常用的调试手段。
6）IRPTrace，这个软件可以跟踪IRP，但是win7及后续版本都不可用，可以尝试自己写程序跟踪。
7）PCITree，查看设备挂载；
8）WinObject，查看驱动中的各种对象信息。
9）WinDbg调试虚拟机，这是一个高级应用。配合VS2015可以查看“内存”、“调用堆栈”、“线程”和“反汇编”。
注：在驱动的开发过程，需要逐渐掌握各种工具和调试手段。

二、开发框架
从我最近的浏览的资料来看，Windows驱动程序大致有三种类型：NT驱动、WDM驱动和WDF驱动。其中，NT驱动是非即插即用（Plug-in-and-Play，PNP）式的，它是一项系统服务，目前的设备类驱动大都不是这种类型，不是我的关注点，后面将不展开介绍。WDM驱动和WDF驱动都是即插即用的驱动，后者是前者的升级版。
1，WDM框架
WDM是早前的Windows驱动开发框架，虽然现在微软推荐用WDF，但是，学习WDM一是能够更对地了解操作系统的内部机制（WDF是对WDM更高层次的封装），二是《Windows驱动开发技术详解》以及网上的很多博文都是用的WDM，从学习角度出发也需要掌握一定的WDM知识。
WDM框架的基本知识，可以参考博文：点击打开链接。后续我也用单独的博文来讲解这方面的内容，主要包括：
1）驱动对象与设备对象（DriverObject vs Device Object）；
2）物理设备对象（PDO）和功能设备对象（FDO）；
3）驱动的层次结构：水平层次（eg：FDO之间）和垂直层次（FDO到PDO）；
4）入口函数（DriverEntry）；
5）设备扩展（DRIVER_EXTENSION）；
6）重要的例程（routine）：AddDevice
7)IRP机制（I/O Request Package）：MajorFunction（MJ)）和MinorFunction(MN)；

2，WDF框架
对于WDF框架，可以参考《Window7设备驱动开发》这本书。WDF框架可以分为KMDF（Kernel Model Driver Frame）和UMDF（User Model Driver Frame），其驱动模型如下：
1）WDF对象（属性、方法和事件）；
2）即插即用和电源管理的集成；
3）集成的I/O排队和取消（queue）；
4）I/O模型。在Windows中，IRP的功能不仅仅是向驱动程序提供传统的I/O请求（读、写、创建等）。它是操作系统和驱动程序、驱动程序和驱动程序之间一种基于数据包的通信机制。

3，一个典型的KMDF驱动程序
通过VS2015新建一个项目，选择“KMDF”，它会产生如下文件：

1）public.h中定义GUID和CTL_CODE，并提供给应用程序使用；
2）trace.h定义的调试宏和函数，暂不关注；
3）driver.h和driver.c定义了主要的框架代码。包括：入口函数（DriverEntry）、加载设备的例程（KMDFDriver1EvtDeviceAdd）和清理上下文区的函数。该文件都是框架性的代码，在驱动开发的过程中，可以选择一个框架，选定框架后，一般不在该文件中添加功能，而是放到“device.c”和“queue.c”。
4）device.h和device.c，主要处理设备相关的功能，与设备交互的实现放在该文件中。主要包括设备初始化和资源释放；
5）queue.h和queue.c，主要处理IRP，包括KMDFDriver1EvtIoDeviceControl；

Answer 2

对于初学者，我们需要一个简单的例子，就和C语言里面的HelloWorld一样，编译运行，接着打印出"Hello world!"。我们要先建立起对WDF驱动的一个初步而强烈的感性认识，然后再对照着例子来学习WDF的概念，看它的代码是怎么实现的，这样就会有深刻的认识。这就是教育学上所谓的循序渐进。按照这个思路，我们就先要编译安装运行一个简单驱动程序例子。我浏览了下WDF的例子之后，发现Echo这个例子比较适合我们的这个思路。下面就开始编译、安装和运行Echo这个例子。我是在XP下面做的实验，如果在其他操作系统下，也类似。在开始试验之前，读者可以从微软的网站下载WDK开发包，大小约700Mbytes，需要耐心地下才能下完。