WDM内核驱动程序模型分析.doc

WDM内核驱动程序模型分析 WDM驱动程序是Windows 2000操作系统重要的组成部分，它的正常工作需要有Windows 2000其它内核组件的支持，同时大部分的内核组件也必须同WDM驱动程序交互来完成它们的功能，为能够完整而清晰的说明WDM驱动程序的工作情况，本文首先说明Windows 2000操作系统的内核工作机理，同时将给出WDM驱动程序和内核其它组件的协同工作机制，最后分析WDM驱动程序的结构和工作流程。 1 Windows 2000内核组件工作模式 1.1 Windows 2000的设计思想 在现代操作系统中，应用程序和操作系统本身是分开的——操作系统代码运行在核心态并有权访问系统数据和硬件；应用程序运行在用户态，能够使用的接口和访问系统数据的权限都受到限制。当用户程序调用系统服务时，处理器捕获该调用，然后把调用的线程切换到核心态。当系统服务完成后，操作系统将线程描述表切换回用户态，允许调用者继续运行。 系统核心态部分的设计是丰富多样的。较典型的有以下几种： A) 传统的单片式操作系统。系统被设计为一个单一的、庞大的软件系统，在内部组件之间有许多关联。这种软件系统依赖于许多系统组件。这种相互关联意味着要扩展系统，就需要对全部代码库进行大量修改。同时在单片式操作系统中大量的操作系统代码运行于同一内存空间，这就意味着任何操作系统组件都可能损坏正在被其它组件使用数据。 B) 分片式的操作系统。将操作系统发分为不同层次中的模块。每个模块提供一组功能函数其它模块调用。在某一层次上的代码只能调用较低层次上的代码。在一些了系统中，ＤＥＣ公司的OpenVMS包括老的Multics操作系统，硬件甚至强制分层（使用多重、分级处理模式）。分层操作系统结构的优点是，由于每层代码只能访问较低层的接口（和数据结构），因此限制了使用无限权利的代码数量，这种结构也允许在最底层开始调试操作系统，然后一层一层的往上调试，直到整个操作系统工作正常。层次化结构也使增强操作系统更容易，因为修改或替代单独的一层，不影响系统的其它部分。 C) 客户服务器微内核模型。其思想是把操作系统分成若干个服务器进程，每个服务器进程完成一种服务，如内存管理服务、进程创建服务和处理器调度服务。每个“服务器”运行在用户态，等待客户提出服务请求。“客户”，可以是另一个操作系统的组件，也可以是应用程序，它通过发送一个消息给服务器来请求服务。运行在核心态的操作系统的微内核把该消息传递给服务器，该服务器执行操作，内核用另一种消息把结果返回用户。 Windows2000融合了分层操作系统和客户服务器微内核操作系统的特点。对性能影响很大的操作系统组件在核心态下运行。在核心态下，组件可以和硬件交互，也可以在组件之间交互，并且不会引起描述表切换和模式转变，例如，内存管理器、高速缓存管理器、对象及安全性管理器网络协议、文件系统（包括网络服务器和重定向程序）、所有线程和进程管理都运行的核心态。 当然，所有这些组件都应该受到保护，以避免给其它的应用程序侵扰，应用程序不能直接访问操作系统特性部分的代码和数据（尽管他们可以快速调用其它的内核服务）。这种保护使得Windows2000成为既坚固又稳定的应用程序服务器的原因之一。而且从核心操作系统服务的角度，如虚拟内存管理、文件操作、复合文件及打印共享来看，Windows2000作为工作站平台仍是迅速和敏捷的。 由于WDM驱动程序的标准应用平台是Windows 2000，是内核的重要组件之一并和其它内核组件有相当多的关联，为本文讨论的完整性，首先讨论Windows 2000的系统结构。 1.2 Windows 2000的系统结构 图1 Windows 2000 系统结构图 图1显示了Windows 2000内核系统结构图。Windows 2000是由内核模式和用户模式两类代码构成的。 用户态代码模式主要包括各个环境子系统：POSIX,OS/2,Win32。在这三个子系统中Win32比较特殊，它是Windows 2000的必须组件。实际上，其它两个子系统只是在需要时才被配置启动，而Win32必须始终处于运行状态。 A) 硬件抽象层（HAL） HAL是一薄层软件，它是硬件与操作系统其它部分的接口，是物理硬件资源的一种抽象。我们可以称之为“抽象硬件模型”。HAL通过动态链接库（DLL，Dynamic Link Library）实现，管理的项目包括： w 片外高速缓存 w 定时器 w I/O总线 w 设备寄存器 w 中断控制器 w DMA控制器 各种系统组件使用HAL函数与CPU外的硬件打交道，这样就把平台特定的细节对系统的其余部分隐藏起来，可移植性极佳。特别地，HAL例程的使用使得内核和设备驱动程序在有相同CPU体系结构的平台上二进制代码兼容