Разработка драйверов под Windows
СОДЕРЖАНИЕ
1. Теоретические сведения 4
1.1. Разработка драйверов ядра Windows 4
1.2. Драйверы виртуальных устройств Windows. 11
1.3. Доступ к существующим драйверам из приложений пользовательского режима 21
2. Выполнение курсовой работы 27
2.1. Шаг 1 27
Листинг Kurs_test.cpp 27
Листинг beeper.sys 28
2.2. Шаг 2 30
Листинг shablon.c 30
Листинг курсовая2.cpp 32
2.3. Шаг 3 34
Листинг курсовая.cpp 34
2.4. Шаг 4 35
3. Работа приложения 38
Теоретические сведения
Разработка драйверов ядра Windows
Краткие теоретические сведения
Разработка драйверов ядра
Драйвер (от англ. driver) - это
компьютерная программа, с помощью
которой другая программа (обычно, операционная
система) получает доступ к аппаратному
обеспечению стандартным
Схематично, чтобы показать, как работают разные типы драйверов:
┌──────────┐ ┌──────────┐
│приложение│ │приложение│
└────┬─────┘ └────┬─────┘
┌────────────┐ ┌──────┴───────┐ ┌──────┴───────┐
│драйвер ядра│ │ драйвер вир- │ │ драйвер реа- │
└────────────┘ │туального у-ва│ │ ального у-ва │
└──────────────┘ └──────┬───────┘
контроллер
Удобно разделить на 2 типа:
- Драйверы ядра (работают
на 0 уровне привилегий, но никак
не взаимодействуют ни с
- Драйверы устройств -
необходимы, чтобы осуществлять
взаимодействие между
Компоненты ядра выполняются в привилегированном режиме процессора (называемом режимом ядра), могут выполнять все, а именно:
- они могут выполнять
привилегированные команды
- могут иметь доступ к системным данным и коду,
- имеют прямой доступ к оборудованию, например, через порты
- имеют доступ к ячейкам
памяти; драйвер не может
Если требуется написать сколь-нибудь серьезное приложение, для работы которого необходим доступ к внутренним функциям или структурам данных системы, то можно столкнуться со множеством ограничений, преодолеть которые можно только разместив свой код в системном адресном пространстве. Из документированных существует только один способ это сделать - установить драйвер. Способ этот относительно прост, надежен, а главное, полностью обеспечен поддержкой со стороны самой операционной системы.
Код ядра (собственно это и есть сама система) рассматривается как полностью доверительный. Поэтому, будучи загруженным в системное адресное пространство, драйвер становится частью системы и на него не накладываются какие-либо ограничения. В Windows - это практически единственный способ не разработчикам ОС писать системные компоненты уровня ядра.
Для написания и изучения способов разработки драйверов применяют DDK (Device Development Kit) - систему для разработки драйверов.
Помимо документации в DDK входит набор включаемых файлов (*.inc) и библиотечных файлов (*.lib).
Таким образом, Windows поддерживают различные типы драйверов устройств, но, кроме того, существуют драйверы, которые не являются драйверами устройств, а просто позволяют создавать программы, которые в Windows будут работать в режиме ядра, т.е. на 0 уровне привилегий. При этом они полностью получают доступ к ОС и оборудованию.
Рассмотрим самый простой драйвер режима ядра.
#include <ndis.h>
int DriverEntry(
IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject,
IN PUNICODE_STRING pusRegistryPath ) {
return STATUS_DEVICE_CONFIGURATION_
}
Точкой входа является DriverEntry, которая оформлена в виде процедуры, принимающей два параметра:
pDriverObject - указатель на
объект только что созданного
драйвера. Загружая драйвер, система
создает объект "драйвер" (driver
object), представляющий для нее образ
драйвера в памяти. Через этот
объект система управляет
pusRegistryPath - указатель на
раздел реестра, содержащий
Этот наш первый драйвер только загружается в систему и тут же выгружается.
Теперь рассмотрим программу-шаблон,
которую нужно будет
Задача этого драйвера - исполнять на системном динамике одну ноту до первой октавы. Для этого драйвер использует инструкции процессора in и out, обращаясь к соответствующим портам ввода-вывода. Общеизвестно, что доступ к портам ввода-вывода – это свято охраняемый Windows системный ресурс. Попытка обращения к любому из них, как на ввод, так и на вывод, из режима пользователя, неизбежно приводит к появлению исключения.
В нашем примере будет работать динамик (для этого используется, в частности, порт 61h, 0 и 1 биты, порт 43h и 42h).
В начале драйвера определены все 12 нот.
Нужно будет не просто включить динамик, а установить частоту звука. Для этого используется подсистема таймера, которая работает независимо от процессора и имеет 3 канала. Выход канала 2 связан с динамиком, который используется для генерации звука разной частоты. Слышимый диапазон звука - 30Гц-6000Гц.
Чтобы задать частоту звука, в порт 43h (регистр команд таймера) посылается управляющее слово 0Bh:
mov al,0Bh
out 43h,al
Это значение определяет номер канала, которым мы будем управлять, тип операции, режим работы канала и формат счетчика.
Затем в порт 42h посылается пересчитанная частота звука (1193167/частоту (Гц)) двумя порциями (сначала младшая часть, затем - старшая).
Например, мы хотим получить частоту звука в 100Гц. Пересчитываем частоту,
1193167/100 = 11931
Затем:
mov ax,11931
out 42h,al
mov al,ah
out 42h,al
На первом шаге курсовой работы необходимо изменить программу так, чтобы она выдавала другие музыкальные звуки (у каждого по варианту).
Зачастую в заданиях нужно задавать разные длительности. Для этого удобно использовать процедуру DO_DELAY, передав в нее косвенно определенный параметр "время звучания".
Чтобы было удобно отлаживать драйвер, существуют различные средства. Самое простое – осуществлять вывод необходимой информации в специальное окно утилиты Debug View. Предварительно эта программа запускается, настраивается на перехват сообщений с уровня ядра. Для вывода в программе вызывается функция DbgPrint, имеющая один параметр – выводимую строку. После запуска драйвера в окне Debug View отображается весь вывод.
Существуют различные способа установки драйвера в ядро. Так как наш драйвер, вообще-то, системе не нужен (он не руководит никаким устройством), то мы будем временно подключать драйвер к системе, а затем его удалять.
Для этого необходимо создать приложение, которое будет запускать драйвер. Каким образом? Драйвер – это служба уровня ядра. Поэтому приложение будет использовать SCM - Диспетчер управления службами (Service Control Manager), который входит в состав Windows и работает на пользовательском уровне.
Таким образом, необходимо построить решение из двух проектов: консольное приложение и драйвер.
Для разработки драйверов на С нужно предварительно:
- проинсталлировать DDK,
- установить переменную среды WNETBASE (значение – путь к DDK, например, e:\winddk\3790.1830).
Проект с драйвером должен быть типа MakeFile.
Сделать настройки проекта с помощью Application Settings и в поле Build Command Line записать строку
ddkbuild -WNETXP chk . –ceZ
что означает вызов
специального скрипта для
В текущей папке проекта должны присутствовать файлы:
sources, makefile, ddkbuild.cmd (скрипт), исходный файл драйвера .c
После построения проекта драйвер должен иметь расширение .sys.
Приложение запускает драйвер beeper.sys, т.е. прописывает его в реестре, и запускает в работу. Затем по окончании удаляет из реестра.
Чтобы приложение могло запустить драйвер, после построения решения, которое состоит из двух проектов – приложения и драйвера, нужно поместить исполнимый файл приложения и драйвер в одну папку, а затем запустить приложение..
Драйверы очень трудно
отлаживать. При ошибках в работе
ОС чаще всего зависает, и требуется
перезагрузка. А для нашего драйвера
после перезагрузки еще и необходимо
удалить службу beeper06 из реестра с помощью
regedit (HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\
Драйверы виртуальных
устройств Windows.
До сих пор мы разрабатывали
драйвер режима ядра, который может
делать то, что нельзя на пользовательском
уровне, в частности, работать с портами
в/выв. Такой драйвер называется
драйвером ядра, но не драйвером
устройства, потому что не передаются
данные между программой пользователя
и устройством (Драйвер ведь обычно
зачем нужен? Чтобы организовывать
обмен данными между
Сейчас мы будем разрабатывать драйверы устройств, которые передают данные туда и обратно между приложением пользователя и устройством.
Работа приложения с драйвером
┌───────────────────────┐
│Приложение │
│- открывает устройство │
│- управляет устройством│
│- читает или пишет │
│- закрывает устройство │
└────────^──────────────┘
│
┌─────v─────┐
│ Драйвер │
│устройства │
└───────────┘
Когда приложению требуется операция в/выв, то происходит обращение к драйверу. Для этого приложение может давать запрос на чтение данных из устройства или запись данных на устройство. А если требуется какое-то другое действие, например, опрос или управление устройством, либо что-либо другое, то для этого используется т.н. IOCTL-интерфейс (Device In-Out Control).
Мы будем рассматривать именно такой случай для виртуальных устройств, потому что чаще всего, зачем нужно виртуальное устройство в драйвере? Чтобы можно было передавать ему данные, которые драйвер может как-то обработать (как нельзя в приложении) и вернуть в приложение результат. Вспомним, что обычный драйвер ядра, рассмотренный ранее, ничего не брал из приложения и ничего туда не возвращал, а просто делал действия, недоступные приложению.
Когда приложению требуется операция в/выв, то происходит обращение к драйверу. Для этого может использоваться т.н. IOCTL-интерфейс (Device In-Out Control).
Вызывающее приложение выполняет следующие действия:
1) Открытие файла и получение его дескриптора:
invoke CreateFile, ссылка на устройство, \
GENERIC_READ + GENERIC_WRITE, 0, NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL
В результате, если все произошло успешно, мы получаем дескриптор устройства.
2) Посылка драйверу кода действия (что делать, драйвер может реализовывать много различных действий):
invoke DeviceIoControl, дескриптор, код действия, адрес входного буфе-
ра, размер входных данных, адрес выходного буфера, размер выходных
данных, адрес буфера для реального количества байтов
3) Закрытие файла и, соответственно, освобождение дескриптора.
invoke CloseHandle дескриптор устройства
Чтобы передавать данные, модули (приложение и драйвер) должны договориться о протоколе взаимодействия (коды действий, структура буферов - входных и выходных).
Драйвер получает код действия:
31 30 16 15 14 13 2 1 0
фай- Тип устройства Права доступа Функционал. код метод буферизации
ловый
флаг
Такой же код действия используется и в приложении, и в драйвере.
Код действия в приложении и в драйвере можно записывать в 16-ричном виде, а можно использовать макрос CTL_CODE, как это сделано в примере лаб. работы в файле common.inc.
Рассмотрим пример кода действия из драйвера виртуального устройства, который используется в лабораторной работе. Имя - IOCTL_GET.
0 000000000100010 11 100000000000 00 = 0022E000h
22h 3 800h
В случае виртуального устройства файловый флаг равен 0.
Тип устройства - FILE_DEVICE_UNKNOWN = 22h
Права доступа - FILE_READ_ACCESS+FILE_WRITE_
Функциональный код - в диапазоне от 800h до FFFh. У нас - 800h.
Метод буферизации - способ передачи данных между приложением и драйвером (возможны три):
- Для небольшого объема
данных используется обычно METHOD_BUFFERED
(00b) - выделяется дополнительный
буфер в нестраничной памяти,
достаточный для размещения
- Прямой доступ к данным (без буфера) - METHOD_OUT_DIRECT (2) – для вывода либо METOD_IN_DIRECT (1) – для ввода; поле из IRP - MdlAddress. Это непосредственное обращение - диспетчер в/выв фиксирует в памяти физические страницы, содержащие буфер пользовательского режима. При этом создает вспомогательную структуру MDL (Memory Descriptor List) для описания зафиксированных страниц. И разработчик драйвера работает с MDL.
- Доступ через буфер пользовательского уровня - METHOD_NEITHER (3); поле из IRP - SystemBuffer. Диспетчер в/выв передает в драйвер виртуальные адреса пользовательского режима. И в драйвере нужно очень осторожно с ними работать, потому что драйвер в этом случае должен работать только в контексте вызывающего потока.
Когда приложение посылает драйверу код действия, то начинает работу диспетчер ввода-вывода. Он отвечает за формирование пакета запроса ввода-вывода (I/O request packet, IRP) и посылку его драйверу для дальнейшей обработки.
Мы будем рассматривать 3 типа запросов:
- IRP_MJ_CREATE - будет передан при CreateFile,
- IRP_MJ_DEVICE_CONTROL - будет передан при DeviceIoControl
- IPR_MJ_CLOSE - при CloseHandle
Пакет IRP состоит из заголовка и стеков размещения в/выв. Диспетчер в/выв создает количество ячеек стека в/выв равное числу драйверных слоев, участвующих в обработке запроса. Каждому драйверу разрешен доступ к собственной ячейке стека. Когда драйвер передает пакет IRP драйверу нижнего уровня, указатель на ячейку стека перемещается на ячейку, необходимую этому драйвера. И, наоборот, после обработки запроса, указатель поднимается вверх на ячейку драйвера высшего уровня. Получение указателя с помощью функции – IoGetCurrentStackLocation().
Заголовок IRP (Tail.Overlay)
│
ячейка стека в/выв<───>драйвер-1
...... ......
ячейка стека в/выв<───>драйвер-n
В каждом стеке размещения находится указатель на объект-устройство DeviceObject и на объект-файл FileObject, для которого инициирован запрос. Пакеты IRP всегда хранятся в невыгружаемой памяти.
IRP
┌─────────────────────────────
│
Заголовок (фиксированная часть)
├─────────────────────────────
│- AssociatedIRP.SystemBuffer - указатель на системный буфер, если │
│ буферизованный в/выв - METHOD_BUFFERED. Создается копия буфера. │
│ флаг DO_BUFFERED_IO
- MdlAddress - указатель на перед. данные, если исп. прямой доступ; │
│это прямой в/выв. Для передачи буфера драйверу создается таблица MDL, │
│описывающая размещение буфера в физической памяти. Флаг DO_DIRECT_IO │
│- UserBuffer - адрес пользовательского буфера в/выв, если используется│
│никакой в/выв. В драйвер передается адрес буфера инициатора запроса. │
│ флаг Neither │
│- IoStatus (структура)
│ - IoStatus.Status
│ - Io.Status.Information-
│- Cancel – запрошена ли отмена операции │
│- Указатель на ячейки стека в/выв - соответствуют количеству драйверных
│ слоев │
└ Tail.Overlay
──────────────────────────────
┌────────────────────────────
│ Структура ячейки стека в/выв - IO_STACKLOCATION │
├────────────────────────────
│-MajorFunction - код IRP_MJ_xxx - описывает базовый IRP драйвера │
│-MinorFunction - субкод операции (т.н.второстепенные коды) │
│-DeviceObject - указатель на объект устройства, для которого IRP │
│-FileObject - файловый объект для запроса к у-ву
│-Parameters
│ - DeviceIoControl (для IRP_MJ_CONTROL)
│ - OutputBufferLength
│ - InputBufferLength
│ - IoControlCode
│ - для IRP_MJ_READ и IRP_MJ_WRITE
│ - Length
│ - Key
│ - ByteOffset
└────────────────────────────
Для работы драйвера создаются и применяются следующие объекты:
- объект драйвера;
- объекты устройств;
- символьные ссылки на устройства, которые доступны из режима пользователя.
Этапы работы драйвера.
1) Создание объекта драйвера.
Создается при загрузке
В состав объекта устройства входят:
- ссылка на объект драйвера, который обрабатывает запросы к устройству;
- тип устройства.
2) Создание символьной
ссылки на устройство. Для того
чтобы объект "устройство" стал
доступен коду режима
Таким образом, уже при загрузке драйвера (в нашем случае, на этапе загрузки ОС) мы имеем три объекта в памяти: драйвер "\Driver\shablon", устройство "\Device\shablon" и символьную ссылку на устройство "\??\slshablon".
3) Открытие. Дальше при
запуске приложения вызывается CreateFile.
Там есть ссылка на устройство.
Из структуры объекта
Если все ОК, то мы сохраняем дескриптор файла, возвращенный CreateFile, в переменной hDevice.
4) Операции в/выв. Теперь
мы имеем возможность
Используя описатель устройства,
диспетчер ввода-вывода извлечет сведения
об обслуживающем его драйвере, сформирует
пакет запроса ввода-вывода типа
IRP_MJ_DEVICE_CONTROL и направит его драйверу.
В драйвере будет вызвана соответствующая
процедура DispatchControl, которой в качестве
параметров передаются код действия
и сведения об адресах и размерах
входного и выходного буфера. Все
это передается через IRP. В процедуре
из IRP берется необходимая
Процедура DispatchControl выполняет необходимые действия, в нашем случае адрес пакета IRP из регистра ESI Затем передает результат через выходной буфер в приложение.
Аналогично предыдущей процедуре, передаем через IRP статус завершения и количество переданных из драйвера байтов.
В приложении эти данные форматируются и выводятся.
5) Закрытие. Как и полагается
поступать с дескрипторами,
6) Выгрузка драйвера. Удаляем символьную ссылку и удаляем объект устройства.
Комплекс (2) состоит из двух программ:
- приложение, которое обращается к драйверу за адресом IRP, а затем этот адрес выводит в стандартное окно Windows.
- shablon.sys - драйвер.
Драйвер shablon выполняет то, что нельзя сделать на уровне пользователя, в данном случае определяет содержимое регистра esi при работе драйвера.
Приложение в выходном буфере получает содержимое esi, преобразует его для вывода в шестнадцатеричном виде и выводит в стандартное окно Windows.
Если необходимо в драйвере получить информацию из CMOS, то требуется:
- послать в порт 70h смещение в CMOS, которое нас интересует;
- небольшая задержка;
- взять из порта 71h информацию в al.
Затем записать эту информацию в выходной буфер.
А в приложении необходимо взять информацию из выходного буфера, при необходимости, преобразовать ее и вывести, либо проанализировать и в зависимости от результата вывести в стандартное окно необходимый текст.
В этой лабораторной работе предполагается, что драйвер устанавливается постоянно в Windows с помощью .inf-файла, используя из Панели управления пункт – Установка оборудования: Добавление нового устройства, Установка вручную, Показать все устройства, Установить с диска, с помощью обзора выбрать файл .inf (драйвер должен быть в той же папке).
Чтобы проверить, что драйвер
установлен, выбираем в панели управления
Система, Оборудование, Диспетчер устройств.
Доступ к существующим драйверам из приложений пользовательского режима
Алгоритм работы приложения работающего с драйвером
Для работы с драйвером приложению пользовательского режима необходимо получить манипулятор(хэндл) драйвера. Этот манипулятор можно получить, используя API-функцию CreateFile или CreateFileA, которая работает с ASCII-символами. Далее используется API-функция DeviceIoControl, которой, в качестве одного из параметров, передается IOCTL-код. IOCTL-код это управляющий код, с помощью которого драйвер узнает об операции, выполнение которой запрашивает приложение, методе передачи параметров и правах доступа, которые необходимы приложению для выполнения этой операции. После того как приложение вызвало DeviceIoControl драйверу отправляется IRP_MJ_DEVICE_CONTROL. После завершения обработки запросы приложению возвращается управление и приложению остается проанализировать ответ драйвера и закрыть открытые дескрипторы.
Пример
В приведенном ниже примере
приложение пользовательского режима
отправляет запрос IOCTL_DISK_GET_PARTITION_INFO_
#include <Windows.h>
#include <WinIoCtl.h>
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
// 1st part
DWORD dwBytesReturned = 0;
char cPartitionStyle[64] = {0};
PARTITION_INFORMATION_EX piPartitionInfo;
// 2nd part
HANDLE hDevice = CreateFileA(
/*1*/"\\\\.\\c:",
/*2*/GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
/*3*/FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
/*4*/0,
/*5*/OPEN_EXISTING,
/*6*/0,
/*7*/NULL);
if (hDevice == INVALID_HANDLE_VALUE)
{
MessageBoxA(NULL, "CreateFileA error!", "Error", 0);
return 1;
}
// 3rd part
if (DeviceIoControl(
/*1*/(HANDLE) hDevice,
/*2*/IOCTL_DISK_GET_PARTITION_
/*3*/NULL,
/*4*/0,
/*5*/&piPartitionInfo,
/*6*/sizeof(piPartitionInfo),
/*7*/&dwBytesReturned,
/*8*/NULL
))
{
// 4th part
if(piPartitionInfo.PartitionSt
{
MessageBoxA(NULL, "PARTITION_STYLE_MBR", "Caption", 0);
}
else if(piPartitionInfo.PartitionSt
{
MessageBoxA(NULL, "PARTITION_STYLE_GPT", "Caption", 0);
}
else
{
MessageBoxA(NULL, "PARTITION_STYLE_RAW", "Caption", 0);
}
}
else
{
MessageBoxA(NULL, "DeviceIoControl error", "Error", 0);
return 2;
}
CloseHandle(hDevice);
return 0;
}
Разбор примера
// 1st part
Объявляются переменные, необходимые для работы приложения. PARTITION_INFORMATION_EX это структура, которая описывает информацию о разделе жесткого диска.
typedef struct {
PARTITION_STYLE PartitionStyle; // формат раздела
LARGE_INTEGER StartingOffset; // смещение начала раздела
LARGE_INTEGER PartitionLength; // размер раздела
DWORD PartitionNumber; // номер раздела
BOOLEAN RewritePartition; // если раздел перезаписываемый то TRUE
union {
PARTITION_INFORMATION_MBR Mbr; // дополнительная информация MBR Style раздела
PARTITION_INFORMATION_GPT Gpt; // дополнительная информация GPT Style раздела
} ;
} PARTITION_INFORMATION_EX;
// 2nd part
В этой части программы вызывается функция CreateFileA для получения манипулятора, который записывается в переменную hDevice.
// 3rd part
Синхронно вызывается функция DeviceIoControl. Ей передаются:
дескриптор устройства;
IOCTL-код IOCTL_DISK_GET_PARTITION_INFO_
указатель на входной буфер, NULL в нашем случае;
размер входного буфера;
указатель на выходной буфер;
размер выходного буфера;
указатель на переменную типа DWORD, в которой будет храниться количество возвращаемых байтов;