Windows 内核驱动可以通过以下几种主要方式直接访问硬件：
1. 内存映射 I/O (Memory-Mapped I/O, MMIO)
- 使用 MmMapIoSpace 函数将物理地址映射到虚拟地址空间
- 直接读写映射后的内存地址来访问硬件寄存器
示例：
```c
PHYSICAL_ADDRESS physicalAddress;
PVOID virtualAddress;
physicalAddress.QuadPart = 0x12345000; // 硬件寄存器的物理地址
virtualAddress = MmMapIoSpace(physicalAddress, 0x1000, MmNonCached);
// 读取寄存器
ULONG value = READ_REGISTER_ULONG((PULONG)virtualAddress);
// 写入寄存器
WRITE_REGISTER_ULONG((PULONG)virtualAddress, newValue);
// 使用完毕后解除映射
MmUnmapIoSpace(virtualAddress, 0x1000);
```
2. 端口 I/O (Port I/O)
- 使用 READ_PORT_XXX 和 WRITE_PORT_XXX 宏直接访问 I/O 端口
- 适用于较旧的硬件或特定的硬件接口
示例：
```c
// 读取端口
UCHAR value = READ_PORT_UCHAR((PUCHAR)0x378);
// 写入端口
WRITE_PORT_UCHAR((PUCHAR)0x378, 0x55);
```
3. 直接内存访问 (Direct Memory Access, DMA)
- 使用 HalAllocateCommonBuffer 或 WdfDmaEnablerCreate 等函数设置 DMA 传输
- 允许硬件直接访问系统内存，减少 CPU 干预
示例（使用 WDF）：
```c
WDFDMAENABLER dmaEnabler;
NTSTATUS status;
status = WdfDmaEnablerCreate(device,
&dmaEnablerConfig,
WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
&dmaEnabler);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
// 处理错误
}
// 使用 dmaEnabler 进行后续 DMA 操作
```
4. 程序化 I/O (Programmed I/O, PIO)
- 通过 CPU 指令直接读写硬件寄存器
- 通常用于简单的数据传输或配置操作
5. 中断处理
- 注册中断服务例程 (ISR) 来响应硬件中断
- 使用 IoConnectInterrupt 或 WdfInterruptCreate 函数
示例（使用 WDF）：
```c
WDFINTERRUPT interrupt;
NTSTATUS status;
WDF_INTERRUPT_CONFIG interruptConfig;
WDF_INTERRUPT_CONFIG_INIT(&interruptConfig,
InterruptIsr,
InterruptDpc);
status = WdfInterruptCreate(device,
&interruptConfig,
WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
&interrupt);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
// 处理错误
}
```
6. 内存栅栏 (Memory Barriers)
- 使用 KeMemoryBarrier 确保内存操作的正确顺序
- 在多核系统上特别重要
7. 硬件抽象层 (HAL) 函数
- 使用 HAL 提供的函数进行某些硬件操作
- 例如，HalGetInterruptVector 用于获取中断向量
8. 设备树和资源列表
- 通过解析设备树和资源列表获取硬件信息
- 使用 CM_Get_xxx 函数族或 WDF 对应的函数
注意事项：
- 直接访问硬件需要非常小心，错误的操作可能导致系统不稳定或崩溃
- 应遵循 Windows 驱动程序开发的最佳实践和指南
- 在可能的情况下，优先使用更高级的抽象（如 WDF）来简化开发并提高安全性
- 对于 PCI 设备，应使用 PCI 配置空间访问函数而不是直接访问
- 在访问硬件之前，确保已正确获取和映射资源
通过这些方法，Windows 内核驱动程序可以直接与硬件交互，实现底层的设备控制和数据传输。
9. PCI 配置空间访问
对于 PCI 设备，应使用专门的函数访问配置空间，而不是直接访问硬件：
```c
// 读取 PCI 配置空间
ULONG value;
status = HalGetBusDataByOffset(PCIConfiguration,
busNumber,
slotNumber,
&value,
offset,
sizeof(ULONG));
// 写入 PCI 配置空间
status = HalSetBusDataByOffset(PCIConfiguration,
busNumber,
slotNumber,
&newValue,
offset,
sizeof(ULONG));
```
10. 自旋锁（Spinlock）
在访问共享硬件资源时，使用自旋锁确保同步：
```c
KSPIN_LOCK spinLock;
KIRQL oldIrql;
KeInitializeSpinLock(&spinLock);
// 获取自旋锁
KeAcquireSpinLock(&spinLock, &oldIrql);
// 访问硬件...
// 释放自旋锁
KeReleaseSpinLock(&spinLock, oldIrql);
```
11. 电源管理
实现适当的电源管理回调，以处理设备的电源状态变化：
```c
NTSTATUS
PowerDeviceD0Entry(
_In_ WDFDEVICE Device,
_In_ WDF_POWER_DEVICE_STATE PreviousState
)
{
// 初始化硬件，从低功耗状态恢复
// ...
return STATUS_SUCCESS;
}
NTSTATUS
PowerDeviceD0Exit(
_In_ WDFDEVICE Device,
_In_ WDF_POWER_DEVICE_STATE TargetState
)
{
// 将硬件置于低功耗状态
// ...
return STATUS_SUCCESS;
}
```
12. 硬件定时器
使用硬件定时器来实现精确的时间控制：
```c
WDFTIMER timer;
WDF_TIMER_CONFIG timerConfig;
WDF_TIMER_CONFIG_INIT(&timerConfig, TimerEvtCallback);
timerConfig.Period = 100; // 100 毫秒
status = WdfTimerCreate(&timerConfig,
WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
device,
&timer);
```
13. 内存描述符列表（MDL）
使用 MDL 进行大块数据传输，特别是在 DMA 操作中：
```c
PMDL mdl;
PVOID buffer;
mdl = IoAllocateMdl(buffer, bufferSize, FALSE, FALSE, NULL);
if (mdl == NULL) {
// 处理错误
}
__try {
MmProbeAndLockPages(mdl, KernelMode, IoReadAccess);
} __except(EXCEPTION_EXECUTE_HANDLER) {
IoFreeMdl(mdl);
// 处理异常
}
// 使用 mdl 进行 DMA 或其他操作
// 完成后解锁和释放
MmUnlockPages(mdl);
IoFreeMdl(mdl);
```
14. 硬件抽象层（HAL）扩展
某些特定硬件可能需要扩展 HAL：
```c
HalRegisterPlatformSecondLevelInterruptHandler(
SecondLevelInterruptHandler,
HardwareInterruptSource,
&InterruptObject
);
```
15. 安全性考虑
- 验证所有来自用户模式的输入
- 使用安全的内存分配和访问方法
- 实现适当的访问控制
```c
// 验证用户模式缓冲区
ProbeForRead(UserBuffer, BufferSize, sizeof(UCHAR));
// 安全的内存复制
status = RtlCopyMemory_s(KernelBuffer,
KernelBufferSize,
UserBuffer,
BufferSize);
```
16. 硬件模拟和虚拟化
在某些情况下，可能需要模拟或虚拟化硬件：
```c
// 创建虚拟设备接口
status = IoCreateDeviceInterface(
DeviceObject,
&GUID_DEVINTERFACE_VIRTUAL_DEVICE,
NULL,
&symbolicLinkName
);
```
17. 硬件事件跟踪
使用 ETW（Event Tracing for Windows）来跟踪硬件事件：
```c
// 定义事件提供者
#define WPP_CONTROL_GUIDS \
WPP_DEFINE_CONTROL_GUID( \
MyDriverTraceGuid, (12345678-1234-1234-1234-123456789ABC), \
WPP_DEFINE_BIT(MYDRIVER_ALL_INFO) \
)
// 使用跟踪宏
DoTraceMessage(MYDRIVER_ALL_INFO, "Hardware event occurred: %d", eventCode);
```
18. 驱动程序框架选择
根据需求选择合适的驱动程序框架：
- WDF（Windows Driver Framework）用于大多数现代驱动程序
- WDM（Windows Driver Model）用于需要更多底层控制的场景
- KMDF（Kernel-Mode Driver Framework）用于内核模式驱动
- UMDF（User-Mode Driver Framework）用于用户模式驱动
这些高级主题涵盖了 Windows 内核驱动程序与硬件交互的多个方面。正确使用这些技术可以开发出高效、安全、可靠的驱动程序。记住，内核模式编程需要极高的谨慎，因为错误可能导致系统不稳定或崩溃。始终遵循 Microsoft 提供的最佳实践和安全指南，并进行彻底的测试和验证。:
19. 直接 I/O 与缓冲 I/O
在处理用户模式和内核模式之间的数据传输时,可以选择直接 I/O 或缓冲 I/O:
```c
// 直接 I/O
IRP_MJ_READ:
if (irpSp->Parameters.Read.Length != 0) {
status = WdfRequestRetrieveOutputWdmMdl(Request, &mdl);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
goto Exit;
}
buffer = MmGetSystemAddressForMdlSafe(mdl, NormalPagePriority | MdlMappingNoExecute);
if (!buffer) {
status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
goto Exit;
}
// 直接从设备读取到 buffer
}
// 缓冲 I/O
IRP_MJ_WRITE:
status = WdfRequestRetrieveInputBuffer(Request, sizeof(ULONG), &buffer, &bufferLength);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
goto Exit;
}
// 从 buffer 写入到设备
```
20. 硬件互斥锁 (Hardware Mutex)
对于某些复杂的硬件操作,可能需要使用硬件级别的互斥锁:
```c
NTSTATUS AcquireHardwareMutex(PDEVICE_EXTENSION DeviceExtension)
{
ULONG attempts = 0;
while (attempts < MAX_MUTEX_ATTEMPTS) {
if (READ_REGISTER_ULONG(&DeviceExtension->Registers->MutexStatus) == 0) {
WRITE_REGISTER_ULONG(&DeviceExtension->Registers->MutexLock, 1);
KeMemoryBarrier(); // 确保写操作完成
if (READ_REGISTER_ULONG(&DeviceExtension->Registers->MutexStatus) == 1) {
return STATUS_SUCCESS;
}
}
KeStallExecutionProcessor(100); // 等待 100 微秒
attempts++;
}
return STATUS_TIMEOUT;
}
```
21. 硬件时钟同步
某些驱动可能需要与硬件时钟同步:
```c
LARGE_INTEGER systemTime, localTime;
ULONG64 hardwareTime;
KeQuerySystemTime(&systemTime);
ExSystemTimeToLocalTime(&systemTime, &localTime);
hardwareTime = READ_REGISTER_ULONG64(&DeviceExtension->Registers->HardwareTimer);
// 计算并存储偏移
DeviceExtension->TimeOffset = localTime.QuadPart - hardwareTime;
```
22. 内存池标记
使用唯一的内存池标记来跟踪驱动程序的内存分配:
```c
#define MYDRIVER_POOL_TAG 'MYDV'
PVOID buffer = ExAllocatePoolWithTag(NonPagedPool, size, MYDRIVER_POOL_TAG);
if (buffer == NULL) {
// 处理内存分配失败
}
// 使用完毕后
ExFreePoolWithTag(buffer, MYDRIVER_POOL_TAG);
```
23. 硬件错误恢复
实现硬件错误恢复机制:
```c
NTSTATUS RecoverFromHardwareError(PDEVICE_EXTENSION DeviceExtension)
{
NTSTATUS status;
// 重置硬件
WRITE_REGISTER_ULONG(&DeviceExtension->Registers->ControlRegister, HARDWARE_RESET_VALUE);
KeStallExecutionProcessor(1000); // 等待 1 毫秒
// 重新初始化硬件
status = InitializeHardware(DeviceExtension);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
// 记录错误并可能禁用设备
return status;
}
// 恢复中断
status = WdfInterruptEnable(DeviceExtension->Interrupt);
if (!NT_SUCCESS(status)) {
// 处理中断启用失败
return status;
}
return STATUS_SUCCESS;
}
```
24. 硬件性能计数器
利用硬件性能计数器进行性能分析:
```c
LARGE_INTEGER performanceFrequency;
LARGE_INTEGER startTime, endTime;
ULONG64 elapsedMicroseconds;
KeQueryPerformanceCounter(&startTime);
// 执行需要计时的硬件操作
KeQueryPerformanceCounter(&endTime);
KeQueryPerformanceFrequency(&performanceFrequency);
elapsedMicroseconds = (endTime.QuadPart - startTime.QuadPart) * 1000000 / performanceFrequency.QuadPart;
KdPrint(("Operation took %llu microseconds\n", elapsedMicroseconds));
```
25. 动态加载驱动程序
实现动态加载和卸载功能,以支持热插拔设备:
```c
NTSTATUS
DriverEntry(
_In_ PDRIVER_OBJECT DriverObject,
_In_ PUNICODE_STRING RegistryPath
)
{
WDF_DRIVER_CONFIG config;
NTSTATUS status;
WDF_DRIVER_CONFIG_INIT(&config, EvtDeviceAdd);
config.EvtDriverUnload = EvtDriverUnload;
status = WdfDriverCreate(DriverObject,
RegistryPath,
WDF_NO_OBJECT_ATTRIBUTES,
&config,
WDF_NO_HANDLE);
return status;
}
VOID
EvtDriverUnload(
_In_ WDFDRIVER Driver
)
{
// 清理资源,停止所有设备
}
```
26. 远程调试
配置内核调试器进行远程调试:
```
bcdedit /debug on
bcdedit /dbgsettings serial debugport:1 baudrate:115200
```
27. 驱动程序验证工具
使用 Driver Verifier 和其他工具来验证驱动程序:
```
verifier /standard /driver MyDriver.sys
```
这些高级主题涵盖了更多 Windows 内核驱动程序与硬件交互的复杂方面。正确实现这些技术可以显著提高驱动程序的性能、可靠性和安全性。然而,这些操作通常涉及底层系统交互,需要深入理解 Windows 内核架构和硬件工作原理。在实际开发中,应当谨慎使用这些技术,并进行充分的测试和验证。