C++ 驱动开发：操作系统内核级 C++ 编程与设备交互

哈喽，各位好！今天咱们聊聊C++驱动开发，这玩意儿听起来高大上，实际上…嗯，确实挺需要点功夫的。但是别怕，我会尽量把它讲得有趣点，至少让你们觉得“哎，这玩意儿好像也没那么可怕嘛”。

什么是驱动开发？（别跟我说开车！）

简单来说，驱动程序就是操作系统和硬件设备之间的翻译官。操作系统想让硬件干活，但它不能直接跟硬件“对话”，需要一个翻译官把操作系统的指令翻译成硬件能理解的“语言”，这个翻译官就是驱动程序。

为什么用C++？因为C++既有面向对象的能力，方便我们组织代码，又有接近底层的能力，可以直接操作内存和硬件。当然，你也可以用C，甚至汇编，但是…除非你是自虐狂，否则还是老老实实用C++吧。

内核级编程？听起来就很危险！

没错，内核级编程确实很危险。你在用户态写代码，崩了最多就是程序崩溃，重启一下就好。但在内核态写代码，崩了…呵呵，蓝屏伺候！严重的话，还会导致系统不稳定，甚至数据丢失。所以，写驱动一定要小心谨慎，多测试，多学习。

环境搭建：磨刀不误砍柴工

要写驱动，首先得有个合适的开发环境。推荐使用Visual Studio，配合Windows Driver Kit (WDK)。WDK包含了编译驱动所需的头文件、库文件和工具。

安装Visual Studio： 这个不用多说了吧，去微软官网下载安装就行。注意，要选择安装C++相关的组件。
安装WDK： WDK可以单独安装，也可以通过Visual Studio Installer安装。建议安装最新版本的WDK，以获得最新的功能和支持。
配置Visual Studio： 安装完WDK后，需要在Visual Studio中配置一下，让它知道WDK的路径。具体操作可以参考微软的官方文档。

第一个驱动程序：Hello, World! (内核版)

废话不多说，咱们直接上代码。这是一个最简单的驱动程序，它会在内核调试器中输出 "Hello, World!"。

#include <ntddk.h>

extern "C"
NTSTATUS
DriverEntry(
    _In_ PDRIVER_OBJECT  DriverObject,
    _In_ PUNICODE_STRING RegistryPath
    )
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(RegistryPath);

    DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_INFO_LEVEL, "Hello, World!n");

    DriverObject->DriverUnload = [](PDRIVER_OBJECT DriverObject) {
        UNREFERENCED_PARAMETER(DriverObject);
        DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_INFO_LEVEL, "Goodbye, World!n");
    };

    return STATUS_SUCCESS;
}

代码解释：

ntddk.h：这是Windows Driver Kit提供的头文件，包含了驱动开发所需的函数和数据结构的定义。
DriverEntry：这是驱动程序的入口函数，相当于用户态程序的main函数。操作系统在加载驱动程序时会调用这个函数。
DriverObject：一个指向驱动对象(DRIVER_OBJECT)的指针，操作系统使用这个对象来管理驱动程序。
RegistryPath：一个指向注册表路径的指针，驱动程序可以用它来读取配置信息。
DbgPrintEx：用于在内核调试器中输出信息的函数。它类似于用户态程序的printf函数，但只能在内核态使用。
DriverObject->DriverUnload：一个函数指针，指向驱动程序的卸载函数。操作系统在卸载驱动程序时会调用这个函数。
STATUS_SUCCESS：表示驱动程序初始化成功。

编译和安装驱动程序

创建项目： 在Visual Studio中创建一个新的WDK项目，选择"Driver" -> "Empty Driver"。
添加代码： 将上面的代码添加到项目中。
配置项目： 需要配置一下项目的属性，告诉编译器和链接器使用WDK提供的头文件和库文件。
编译项目： 点击"Build" -> "Build Solution"，编译项目。如果一切顺利，会在项目的输出目录中生成一个.sys文件，这就是驱动程序的可执行文件。
安装驱动： 可以使用Inf2Cat工具生成.cat文件，然后使用PnPUtil工具安装驱动。

调试驱动程序

驱动调试和用户态调试完全是两个概念。你不能像调试用户态程序那样，直接在Visual Studio中设置断点，然后单步执行。

常用的驱动调试方法有：

内核调试器： 这是最常用的驱动调试方法。可以使用WinDbg或者Visual Studio的内核调试器连接到目标机器，然后设置断点，查看内存，等等。
DbgPrintEx： 就像上面代码中使用的那样，可以在驱动程序中使用DbgPrintEx函数输出调试信息。这些信息会显示在内核调试器中。
Logging： 可以将调试信息写入日志文件。这对于调试一些不容易复现的问题很有帮助。

与硬件交互：让驱动真正发挥作用

光是输出 "Hello, World!" 肯定是不够的，驱动程序最终是要与硬件交互的。

与硬件交互的方式有很多种，常见的有：

端口 I/O： 直接读写硬件端口。这种方式比较底层，需要对硬件的寄存器和控制信号有深入的了解。
内存映射 I/O： 将硬件的寄存器映射到内存地址空间，然后通过读写内存来与硬件交互。这种方式比端口 I/O 更方便，但仍然需要对硬件有深入的了解。
中断： 硬件可以通过中断通知驱动程序发生了某些事件。驱动程序需要注册中断处理程序来处理这些事件。
DMA (Direct Memory Access)： 硬件可以直接访问内存，而不需要经过CPU。这可以提高数据传输的效率。

一个简单的例子：读取串口数据

假设我们要写一个驱动程序，从串口读取数据。

#include <ntddk.h>
#include <wdm.h>

// 定义串口设备名称
#define SERIAL_PORT_NAME L"\Device\Serial0"

// 定义IO控制码
#define IOCTL_SERIAL_READ CTL_CODE(FILE_DEVICE_SERIAL_PORT, 0x800, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)

// 设备对象
PDEVICE_OBJECT g_DeviceObject = NULL;

// 读取串口数据的线程
VOID SerialReadThread(PVOID Context);

// 分发例程
NTSTATUS DriverDispatch(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp);

// 卸载例程
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject);

extern "C"
NTSTATUS
DriverEntry(
    _In_ PDRIVER_OBJECT  DriverObject,
    _In_ PUNICODE_STRING RegistryPath
    )
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(RegistryPath);

    NTSTATUS status;
    UNICODE_STRING deviceName, symbolLinkName;

    // 初始化设备名称和符号链接名称
    RtlInitUnicodeString(&deviceName, SERIAL_PORT_NAME);
    RtlInitUnicodeString(&symbolLinkName, L"\DosDevices\SerialPort");

    // 创建设备对象
    status = IoCreateDevice(DriverObject, 0, &deviceName, FILE_DEVICE_SERIAL_PORT, 0, FALSE, &g_DeviceObject);
    if (!NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_ERROR_LEVEL, "IoCreateDevice failed with status 0x%Xn", status);
        return status;
    }

    // 创建符号链接
    status = IoCreateSymbolicLink(&symbolLinkName, &deviceName);
    if (!NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_ERROR_LEVEL, "IoCreateSymbolicLink failed with status 0x%Xn", status);
        IoDeleteDevice(g_DeviceObject);
        return status;
    }

    // 设置分发例程
    for (int i = 0; i <= IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION; i++) {
        DriverObject->MajorFunction[i] = DriverDispatch;
    }

    // 设置卸载例程
    DriverObject->DriverUnload = DriverUnload;

    // 创建读取串口数据的线程
    HANDLE threadHandle;
    status = PsCreateSystemThread(&threadHandle, THREAD_ALL_ACCESS, NULL, NULL, NULL, SerialReadThread, NULL);
    if (!NT_SUCCESS(status)) {
        DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_ERROR_LEVEL, "PsCreateSystemThread failed with status 0x%Xn", status);
        IoDeleteSymbolicLink(&symbolLinkName);
        IoDeleteDevice(g_DeviceObject);
        return status;
    }
    ZwClose(threadHandle);

    DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_INFO_LEVEL, "DriverEntry completed successfullyn");
    return STATUS_SUCCESS;
}

// 分发例程
NTSTATUS DriverDispatch(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(DeviceObject);

    NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS;
    PIO_STACK_LOCATION irpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);

    switch (irpStack->MajorFunction) {
    case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:
        switch (irpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode) {
        case IOCTL_SERIAL_READ:
            // 处理读取串口数据的请求
            DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_INFO_LEVEL, "IOCTL_SERIAL_READ receivedn");
            // TODO: 读取串口数据并返回给用户态程序
            Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;
            Irp->IoStatus.Information = 0; // 实际读取的字节数
            break;
        default:
            status = STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST;
            Irp->IoStatus.Status = status;
            Irp->IoStatus.Information = 0;
            break;
        }
        break;
    default:
        status = STATUS_INVALID_DEVICE_REQUEST;
        Irp->IoStatus.Status = status;
        Irp->IoStatus.Information = 0;
        break;
    }

    IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT);
    return status;
}

// 读取串口数据的线程
VOID SerialReadThread(PVOID Context)
{
    UNREFERENCED_PARAMETER(Context);

    // TODO: 初始化串口
    // TODO: 循环读取串口数据
    // TODO: 将读取到的数据发送给用户态程序

    DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_INFO_LEVEL, "SerialReadThread exitingn");
    PsTerminateSystemThread(STATUS_SUCCESS);
}

// 卸载例程
VOID DriverUnload(PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    UNICODE_STRING symbolLinkName;

    // 初始化符号链接名称
    RtlInitUnicodeString(&symbolLinkName, L"\DosDevices\SerialPort");

    // 删除符号链接
    IoDeleteSymbolicLink(&symbolLinkName);

    // 删除设备对象
    IoDeleteDevice(g_DeviceObject);

    DbgPrintEx(DPFLTR_IHVDRIVER_ID, DPFLTR_INFO_LEVEL, "DriverUnload completedn");
}

这个例子只是一个框架，还有很多细节需要补充，比如：

初始化串口： 需要配置串口的波特率、数据位、停止位、校验位等参数。
读取串口数据： 需要使用Windows API函数读取串口数据。
将读取到的数据发送给用户态程序： 可以使用IO控制码将数据发送给用户态程序。

一些有用的工具和资源

WinDbg： Windows内核调试器，用于调试驱动程序。
Sysinternals Suite： 一套免费的系统工具，可以用于监视系统活动，分析性能问题，等等。
Olsrdriver： 用于开发网络驱动的开源框架。
Windows Driver Kit (WDK)： 包含了驱动开发所需的头文件、库文件和工具。
Microsoft Docs： 微软官方文档，包含了大量的驱动开发资料。

进阶之路：驱动开发高级技巧

掌握了基础知识后，可以开始学习一些驱动开发的高级技巧，比如：

WDF (Windows Driver Framework)： 一个用于简化驱动开发的框架。
ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)： 用于管理设备的电源和配置。
USB (Universal Serial Bus)： 用于与USB设备通信。
PCI (Peripheral Component Interconnect)： 用于与PCI设备通信。
NDIS (Network Driver Interface Specification)： 用于开发网络驱动。

总结：路漫漫其修远兮

C++驱动开发是一门复杂的技能，需要不断学习和实践。但是，只要你坚持下去，总有一天你会成为一名优秀的驱动工程师。希望今天的讲解能给你带来一些启发，祝你早日成为驱动大神！

下面这张表可以帮你快速回忆一下今天讲的内容：

主题	内容概要
驱动程序定义	操作系统和硬件设备之间的翻译官，负责将操作系统的指令翻译成硬件能理解的语言。
C++ 的优势	面向对象，代码组织方便；接近底层，可以直接操作内存和硬件。
内核级编程风险	崩溃会导致蓝屏，系统不稳定，甚至数据丢失。
环境搭建	Visual Studio + Windows Driver Kit (WDK)。
Hello, World!	一个最简单的驱动程序，在内核调试器中输出 "Hello, World!"。
编译安装	使用 Visual Studio 创建 WDK 项目，编译生成 .sys 文件，使用 Inf2Cat 和 PnPUtil 安装驱动。
调试方法	内核调试器 (WinDbg, Visual Studio 内核调试器)，DbgPrintEx，日志记录。
硬件交互方式	端口 I/O，内存映射 I/O，中断，DMA。
串口读取例子	一个简单的串口读取驱动程序框架，需要补充串口初始化、数据读取和数据发送等细节。
有用工具资源	WinDbg, Sysinternals Suite, Olsrdriver, Windows Driver Kit (WDK), Microsoft Docs。
进阶之路	WDF (Windows Driver Framework)，ACPI (Advanced Configuration and Power Interface)，USB (Universal Serial Bus)，PCI (Peripheral Component Interconnect)，NDIS (Network Driver Interface Specification)。

希望这篇“讲座”对你有所帮助。记住，不要害怕蓝屏，勇敢地去尝试，去探索，你一定能行！Good luck!

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