设备驱动程序通知应用程序的几种方法
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,并给出实现的部分核心代码。希望能够给设备驱动程序的设计者提供一些帮助。
关键词设备驱动程序 异步I/O Virtual Device Driver（VxD） Windows Driver Model（WDM）
在DOS操作系统中,应用程序可以直接与硬件打交道,包括I/O端口读写、中断请求与响应以及DMA操作等[1]。这种对硬件过于直接的操作方式给软件设计提供了一定的便利,但也有它自身的一些缺点。首先,一些非法操作有可能改写某些硬件寄存器的内容,导致操作系统崩溃,从而使操作系统变得不安全,性能不稳定;其次,应用程序的可移植性变差。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[2]。DDK和MSDN对它们有详细的描述,读者可以参考相关资料。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。例如,在数据采集系统中,应用程序向设备驱动程序发送采集数据的命令后,建立一个辅助线程等待数据采集完成,而应用程序本身则可继续干其它的工作。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,作者结合一些经验和已有的资料[3~5],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
