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Windows 驱动开发基础

news 2025/9/29 11:48:57

Windows 驱动开发基础

什么是Windows 驱动

概念

Windows驱动程序（Device Driver）是一种特殊的系统软件，它运行在操作系统的内核模式下，充当硬件设备与操作系统之间的翻译官和协调者。从技术角度来看，驱动程序是一组遵循特定接口规范的函数集合，这些函数能够直接与硬件设备进行通信，同时向操作系统提供标准化的访问接口。

与普通应用程序不同，驱动程序拥有系统的最高权限。它可以访问硬件寄存器、操作物理内存、响应硬件中断，甚至可以修改操作系统内核的数据结构。这种特权级别使得驱动程序既强大又危险——一个设计良好的驱动可以大幅提升系统性能，而一个存在漏洞的驱动则可能导致系统崩溃或成为安全攻击的入口。

作用

驱动程序在现代计算机系统中扮演着不可替代的角色。从功能角度看，它实现了硬件抽象，使得应用程序开发者无需关心底层硬件的具体实现细节。从扩展性角度看，驱动程序机制使得操作系统能够支持无限多样的硬件设备，而无需修改操作系统本身。从安全角度看，驱动程序也被广泛应用于安全软件中，用于实现系统监控、进程保护、网络过滤等功能。

驱动开发环境

下载Visual Studio(SDK)
WDK 引用网址：
下载 Windows 驱动程序工具包 (WDK)

注意: WDK和SDK版本需要配套，先装Visual Studio(SDK),再装WDK。

核心概念

内核态与用户态

Windows 将系统划分为两个特权级别：内核态（Ring 0）和用户态（Ring 3）。

内核态是操作系统核心与驱动程序的运行环境，代码在此拥有最高权限，可以执行特权指令、访问任意内存并直接操作硬件。用户态则是普通应用程序的运行空间，权限受到严格限制，无法直接访问硬件或内核内存，越权操作会触发保护性异常。

这种隔离机制是系统稳定性的基础：即使应用程序崩溃，也不会影响内核。当用户程序需要执行特权操作时，必须通过系统调用切换到内核态，由内核代为完成。由于该过程涉及上下文保存和权限验证，频繁的切换会带来性能开销。

驱动程序运行在内核态，这既赋予它强大的能力，也意味着必须谨慎编写，否则可能直接影响系统安全与稳定。

设备对象（Device Object）

在 Windows 驱动编程中，设备对象（Device Object）是驱动程序向操作系统注册的内核数据结构，代表驱动能够提供服务的一个逻辑单元。

设备对象不一定对应真实的物理硬件。一个物理设备可能需要多个设备对象来表示不同功能，例如声卡可同时创建音频输出、音频输入和 MIDI 设备对象。设备对象也可以是完全虚拟的，如用于进程间通信的虚拟设备或用于系统监控的过滤设备。

驱动程序通过调用 IoCreateDevice 函数创建设备对象。此后，设备对象成为 I/O 管理器的管理目标，所有针对该设备的 I/O 请求都会以 IRP 的形式路由到驱动程序的处理函数。设备对象中包含设备类型、特性以及关联的驱动对象等关键信息，是驱动与操作系统交互的核心结构。

符号链接（Symbolic Link）

在 Windows 驱动开发中，符号链接是连接内核空间设备与用户空间程序的桥梁。

驱动程序创建的设备对象存在于内核命名空间中，路径通常类似 \Device\MyDriver，用户态程序无法直接访问。为此，需要创建一个符号链接，将设备对象映射到用户可见的路径，如 \\.\MyDriver 或 \DosDevices\MyDriver。

这样，用户态程序便可通过 CreateFile 等标准 API 打开设备，就像操作普通文件一样。符号链接本质上是一个指针，指向真实的设备对象，从而实现内核与用户之间的通信。

IRP（I/O Request Packet）

在 Windows 内核中，IRP（I/O Request Packet）是表示 I/O 操作的标准数据结构。

当用户程序发起 I/O 请求时，I/O 管理器会创建一个 IRP，其中包含操作类型（读、写、控制等）、缓冲区地址和相关参数。IRP 会沿驱动程序栈逐层传递，每个驱动都可以处理或转发，直到最底层驱动完成硬件操作。

IRP 采用异步处理模式，驱动可立即返回，稍后再完成操作并通知 I/O 管理器。这种机制使 Windows 能够高效处理并发 I/O 请求，是内核 I/O 架构的核心。

Hello World 驱动程序

用户层

#include <iostream>
#include <Windows.h>#define wszDeviceSymbolLinkName L"\\\\.\\Yan"#define IOCTL_DEFINE(FUNC_NUM, METHOD) CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x800 + FUNC_NUM, METHOD, FILE_ANY_ACCESS)
#define IOCTL_FUNCTION_1 IOCTL_DEFINE(1, METHOD_IN_DIRECT)const int length = 0;
int main()
{HANDLE file = CreateFileW(wszDeviceSymbolLinkName, GENERIC_ALL, 0, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);if (file == INVALID_HANDLE_VALUE){printf("CreateFileW failed %08X\n", GetLastError());return 1;}BOOL result = FALSE;wchar_t msg[] = L"Hello World";DWORD retutnLength = 0;printf("msg ptr: %p\n", msg);printf("length ptr: %p\n", &length);getchar();result = DeviceIoControl(file, IOCTL_FUNCTION_1, msg, sizeof(msg), (PVOID)&length, sizeof(length), &retutnLength, NULL);if (result && retutnLength == sizeof(length)){printf("msg length: %d\n", length);}else{printf("DeviceIoControl IOCTL_FUNCTION_1 failed %08X  retutnLength: %d\n", GetLastError(), retutnLength);}CloseHandle(file);system("pause");return 0;
}

驱动层

#include <ntifs.h>
#include <ntstrsafe.h>
#pragma warning(disable: 4133)#define TRACE(fmt, ...) DbgPrintEx(DPFLTR_SYSTEM_ID, DPFLTR_ERROR_LEVEL,fmt, __VA_ARGS__ )
#define wszDeviceName L"\\Device\\Yan"
#define wszDeviceSymbolLinkName L"\\DosDevices\\Yan"#define IOCTL_DEFINE(FUNC_NUM, METHOD) CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0x800 + FUNC_NUM, METHOD, FILE_ANY_ACCESS)
#define IOCTL_FUNCTION_1 IOCTL_DEFINE(1, METHOD_IN_DIRECT)NTSTATUS DeviceCreate(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{TRACE("DeviceCreate\n");Irp->IoStatus.Information = 0;Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);return STATUS_SUCCESS;
}NTSTATUS DevicecClose(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{TRACE("DevicecClose\n");Irp->IoStatus.Information = 0;Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);return STATUS_SUCCESS;
}NTSTATUS DevicecUnsupport(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{Irp->IoStatus.Information = 0;Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);return STATUS_SUCCESS;
}NTSTATUS DevicecControl(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{TRACE("DevicecControl\n");ULONG ctl_code;ULONG ctl_method;ULONG inbuf_size = 0;ULONG outbuf_size = 0;PVOID inbuffer = NULL;PVOID outbuffer = NULL;NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;ULONG_PTR return_length = 0;PIO_STACK_LOCATION stack_location = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);if (stack_location->MajorFunction != IRP_MJ_DEVICE_CONTROL){status = STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST;Irp->IoStatus.Status = status;IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);return status;}ctl_code = stack_location->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;ctl_method = METHOD_FROM_CTL_CODE(ctl_code);if (ctl_method == METHOD_IN_DIRECT || ctl_method == METHOD_OUT_DIRECT){inbuffer = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;inbuf_size = stack_location->Parameters.DeviceIoControl.InputBufferLength;outbuffer = Irp->MdlAddress ? MmGetSystemAddressForMdlSafe(Irp->MdlAddress, NormalPagePriority) : NULL;outbuf_size = stack_location->Parameters.DeviceIoControl.OutputBufferLength;}else{status = STATUS_INVALID_PARAMETER;Irp->IoStatus.Status = status;IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);return status;}//if (inbuffer == NULL || outbuffer == NULL)//{//	status = STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;//	Irp->IoStatus.Status = status;//	IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);//	return status;//}switch (ctl_code){case IOCTL_FUNCTION_1:{DbgBreakPoint();UNICODE_STRING str;RtlInitUnicodeString(&str, (PWCH)inbuffer);TRACE("IOCTL_FUNCTION_1: %wZ\n", &str);*(int*)outbuffer = str.Length;return_length = sizeof(int);break;}default:{status = STATUS_NOT_IMPLEMENTED;return_length = 0;break;}}Irp->IoStatus.Status = status;Irp->IoStatus.Information = return_length;IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);return STATUS_SUCCESS;
}VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{UNICODE_STRING usDeivceSymbolLinkName = RTL_CONSTANT_STRING(wszDeviceSymbolLinkName);IoDeleteSymbolicLink(&usDeivceSymbolLinkName);PDEVICE_OBJECT device = DriverObject->DeviceObject;while (device){PDEVICE_OBJECT next = device->NextDevice;IoDeleteDevice(device);device = next;}TRACE("DriverUnload\n");
}NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT pDriverObject, PUNICODE_STRING pRegistryPath)
{NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;UNICODE_STRING usDeivceName = RTL_CONSTANT_STRING(wszDeviceName);UNICODE_STRING usDeivceSymbolLinkName = RTL_CONSTANT_STRING(wszDeviceSymbolLinkName);PDEVICE_OBJECT DeivceObject = NULL;pDriverObject->DriverUnload = DriverUnload;for (int i = 0; i < IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION; ++i){pDriverObject->MajorFunction[i] = DevicecUnsupport;}pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = DeviceCreate;pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = DevicecClose;pDriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = DevicecControl;// 创建设备status = IoCreateDevice(pDriverObject,0,&usDeivceName,FILE_DEVICE_UNKNOWN,FILE_DEVICE_SECURE_OPEN,FALSE,&DeivceObject);if (!NT_SUCCESS(status)){TRACE("IoCreateDevice Failed status: %08X\n", status);goto LAB_END;}// 可以不清除该标志//DeivceObject->Flags |= DO_DEVICE_INITIALIZING;DeivceObject->Flags |= DO_DIRECT_IO;status = IoCreateSymbolicLink(&usDeivceSymbolLinkName, &usDeivceName);if (!NT_SUCCESS(status)){TRACE("IoCreateSymbolicLink Failed status: %08X\n", status);goto LAB_END;}LAB_END:if (!NT_SUCCESS(status)){DriverUnload(pDriverObject);}return status;
}

验证

使用第三方驱动加载工具加载驱动

执行用户程序，输出如下：

msg ptr: 000000C17358FAA8
length ptr: 00007FF62951BF20msg length: 0
请按任意键继续. . .

驱动程序输出，如下：

Mon Sep 29 10:19:38.800 2025 (UTC + 8:00): DeviceCreate
Mon Sep 29 10:19:39.618 2025 (UTC + 8:00): DevicecControl
Mon Sep 29 10:19:51.615 2025 (UTC + 8:00): IOCTL_FUNCTION_1: Hello World
Mon Sep 29 10:19:51.623 2025 (UTC + 8:00): DevicecClose