第11章Windows环境下输入输出程序设计课件

第11章Windows环境下输入输出程序设计2022/12/17第11章Windows环境下输入输出程序设计第11章Windows环境下输入输出程序设计2022/12/1Windows是一个多任务操作系统，在保护模式下工作。Windows操作系统不支持用户程序对计算机底层硬件进行直接控制。用户程序需要输入/输出时，可以通过通过API（ApplicationProgramInterface，应用程序接口）来调用设备驱动程序，对设备实现间接控制，进行输入/输出。Windows9x使用VxDs（VirtualDeviceDriver’s，虚拟设备驱动）设备驱动程序。Windows2000/XP使用WDM（WindowsDriverModel，Windows驱动程序模型）设备驱动程序。第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows是一个多任务操作系统，在保护模式下工作。第11211.1Windows设备驱动程序

11.1.1虚拟设备 在多任务运行环境下，计算机内的硬件、软件资源为多个任务共享。任何一个用户程序都不能独占系统的硬件、软件资源。虚拟设备实质上是真实物理设备的部分资源和相关软件的组合，用来完成用户程序需要的功能。虚拟设备不但可以代表实际存在的硬件设备，还可以模拟实际上不存在的“设备”，供用户使用。计算机上的“虚拟光驱”就是一个典型的虚拟设备。与这个设备同名的物理设备是不存在的，用户使用的是硬盘的部分存储空间以及相应的服务程序。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.1Windows设备驱动程序11.1.13使用虚拟设备好处：实现多任务对系统资源的共享，方便用户的使用；实现任务与任务、任务与系统之间的隔离和保护；规范外部设备输入、输出方法，使不同工作方式的设备用相同的方式进行输入输出。对Windows应用程序来讲，虚拟设备就是真实设备，应用程序分不清那个设备是由真实硬件支持的真实设备，那个设备是由虚拟设备驱动程序模拟的虚拟设备。第11章Windows环境下输入输出程序设计使用虚拟设备好处：第11章Windows环境下输入输出程序设411.1.2

Windows9X设备驱动程序Windows9x是一个分层结构的操作系统，由工作在两个不同层面的组件构成：顶层组件，工作在Ring3层；底层组件，工作在Ring0层。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.1.2Windows9X设备驱动程序5顶层：Windows9x操作系统的顶层组件工作在特权级3，称为ring3层。它给应用程序的运行提供Win32API服务。Windows9x应用程序和Win32API服务一起构成操作系统的顶层，称为系统虚拟机（VM，VirtualMachine）。对于一个任务来说，这些服务程序以及他们所掌控的硬件资源就是一台“实实在在”的计算机。但是，对于整个系统来说，他们只是由操作系统向用户提供的一个运行用户程序的平台，包括为这个应用程序服务的操作系统组件和部分的硬件资源。每一个DOS应用程序都在一个独立的虚拟机中运行，操作系统允许多个虚拟机同时处于运行状态。第11章Windows环境下输入输出程序设计顶层：第11章Windows环境下输入输出程序设计6底层：Windows9x操作系统的底层组件工作在0特权级，称为ring0层，它就是虚拟机管理器（VMM，VirtualMachineManager）。Windows9x虚拟机管理器由一个内核服务集和许多虚拟设备驱动程序（VxDs，VirtualDeviceDriver’s）组成。许多VxDs是由Microsoft公司随操作系统提供的，如键盘和显示器等的VxDs，有的VxD则由设备制造商提供，或者由用户自行编写。VxD用来支持特定的硬件或软件，完成需要的功能。VxDs中的程序运行在ring0层，可以执行所有的指令，完成所需的任何软硬件的操作。第11章Windows环境下输入输出程序设计底层：第11章Windows环境下输入输出程序设计7 对于应用程序而言，虚拟机管理器是透明的，应用程序感觉不到管理器的存在。 微软已经宣布，从2006年6月起不再提供对Windows9x的技术支持。因此，Windows9x和VxDs的使用将逐渐减少。随着Windows2000/XP的广泛使用，WDM驱动程序的开发和使用已成为主流。第11章Windows环境下输入输出程序设计 对于应用程序而言，虚拟机管理器是透明的，应用程序感觉不到811.1.3

Windows2000/XP设备驱动程序Windows2000操作系统组件的层次结构 Windows2000操作系统的功能模块划分为用户模式和内核模式两大类。用户模式的操作系统功能模块工作在ring3层，他们不能使用CPU中的特权指令，连同IN、OUT这样的非特权指令也被禁止。所有的用户程序都在这一层上运行。内核模式的操作系统模块工作在ring0层，可以使用CPU的任何指令。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.1.3Windows2000/XP设备驱动程序Wi9Windows2000操作系统的层次结构第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows2000操作系统的层次结构第11章Windo102.Windows2000的设备驱动程序Windows2000的驱动程序也有两种不同的类型。

用户模式驱动程序工作在用户模式，通过调用内核模式驱动程序实现指定的功能。用户模式驱动程序不能直接对硬件设备进行访问，仅仅用于构建一个硬件或软件的运行环境。

Windows内核驱动程序工作在内核模式，可以直接访问硬件设备。每个设备驱动程序都有一组完成各种功能的函数，通过调用这些函数可以对某一设备完成特定的操作。第11章Windows环境下输入输出程序设计2.Windows2000的设备驱动程序第11章Wi11内核模式驱动程序的类型文件系统驱动程序可以在本地硬盘、网络、移动存储设备或各种有存储能力的硬件设备实现标准的文件系统，如FAT32、NTFS系统等。PnP驱动程序是一种遵循Windows2000即插即用协议的内核模式驱动程序。WDM驱动程序是一种PnP驱动程序。它同时还遵守电源管理协议。显示驱动程序是一种特殊的内核驱动程序。此类的驱动程序还有打印驱动程序、多媒体驱动程序、网络驱动程序等。遗留设备驱动程序主要用在WindowsNT系统中，它也可以运行在Windows2000系统中。第11章Windows环境下输入输出程序设计内核模式驱动程序的类型第11章Windows环境下输入输出程12Windows2000内核模式驱动程序的类型第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows2000内核模式驱动程序的类型第11章Win1311.2WDM驱动程序

WDM是Microsoft力推的新型驱动程序模型，首先出现在WindowsNT中，现在的Windows98/Me/2000/XP都支持WDM。微软宣称，在后续的操作系统中将继续支持WDM。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.2WDM驱动程序WDM是Mi14WDM是一个分层的驱动程序。它至少有功能驱动程序（Functiondriver）和总线驱动程序（Busdriver）两个层面。功能驱动程序提供一个设备的使用功能，或者可以认为它就是一个设备的驱动程序。用户程序需要使用该设备时，需要调用功能驱动程序中的功能函数。总线驱动程序负责系统启动时设备的安装、检测，并确定设备的资源使用情况。设备的启动、停止，设备的初始化，设备的电源管理等功能也都由总线驱动程序提供。11.2.1WDM驱动程序模型和层次结构第11章Windows环境下输入输出程序设计WDM是一个分层的驱动程序。它15 WDM引入了

功能设备对象FDO（FunctionalDeviceObject）

物理设备对象PDO（PhysicalDeviceObject）

两个新概念来描述硬件。一个PDO对应一个真实硬件。一个硬件只允许有一个PDO，却可以拥有多个FDO，在驱动程序中直接操作的不是硬件而是相应的PDO与FDO。根据具体的需要还可以选择过滤驱动程序（filterdriver）。第11章Windows环境下输入输出程序设计 WDM引入了

功能设备对象FDO（FunctionalDe16Windows20000的输入输出是包驱动的应用程序调用WDM驱动程序时，系统为每一个用户的请求打包，形成一个I/O请求包（I/ORequestPackage，IRP），然后将其发送至驱动程序。IRP中的PDO字段用来区别是发送给哪一个设备的。某个层次的驱动程序得到IRP后，分析其中的请求，完成本层应该完成的任务。如果IRP要求的任务已经完成，该层次的驱动程序就向上一层传送结果并逐层返回。如果IRP中的请求尚未完成，那么就继续向下层驱动程序传递这个IRP。内核组件就是这样通过发送IRP来运行驱动程序中的代码第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows20000的输入输出是包驱动的第11章Wind17WDM驱动程序层次与I/O请求过程第11章Windows环境下输入输出程序设计WDM驱动程序层次与I/O请求过程第11章Windows环1811.2.2

WDM驱动程序开发工具 目前有两个主要的工具来开发设备驱动程序，一个是Microsoft公司提供的WindowsDDK。它有Windows98DDK、Windows2000DDK、WindowsXPDDK和Windows2003DDK四个版本，分别用来支持相应的四个操作系统中VxD和WDM驱动程序的开发。 用WindowsDDK开发驱动程序难度较大。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.2.2WDM驱动程序开发工具 19另一个驱动程序开发工具是NuMega公司提供的DriverStudio，其中包含VtoolsD、DriversWorks、DriversNetWorks和SoftICE。VtoolsD用来开发Windows98的VxD驱动程序。DriversWorks和DriversNetWorks分别用来开发一般设备和网络设备的WDM驱动程序。SoftICE是一个功能强大的调试工具。第11章Windows环境下输入输出程序设计另一个驱动程序开发工具是NuMega公司提供的Dr20DriverStudio的开发是建立在WindowsDDK的基础上的，安装DriverStudio时，先要安装WindowsDDK。DriverStudio将WindowsDDK的内容封装在一些基本的类中，使用VC++编程。使用DriverStudio来开发Windows的驱动程序，相对WindowsDDK来讲要容易得多。DriverStudio使用开发向导，帮助你建立编写驱动程序所需要的工程文件和程序框架文件，这些文件已经组成了一个完整的设备驱动程序。接下来的工作就是将这些文件导入到VC++的开发环境中，添加具体的操作代码，进行进一步的开发。第11章Windows环境下输入输出程序设计DriverStudio的开发是建立在WindowsDDK2111.2.3

DriverStudio中的WDM驱动程序结构

从基本WDM启动程序的两个头文件中可以大致看清WDM驱动程序的基本框架结构。KDriver是WDM驱动程序的基类，任何驱动程序都要从继承该类开始。SimpleWdmDriver驱动程序从派生KDriver类开始。SimpleWdmDevice是KPnpDevice类的派生类。重载其某些成员函数便可处理相应事件的发生。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.2.3DriverStudio中的WDM驱动程序结22最重要的方法是virtualNTSTATUSDeviceControl(KIrpI)，应用程序中原本需要对硬件设备的I/O访问指令被移到了DeviceControl中。应用程序需要访问硬件设备时，可以使用DeviceIoControl函数，最后DeviceIoControl会调用DeviceControl，从而完成对设备的I/O访问。可以说DeviceControl就是功能驱动程序。第11章Windows环境下输入输出程序设计最重要的方法是virtualNTSTATUSDevice23//HelloWdm.h-includefileforbasicWDMdriverclassSimpleWdmDriver:publicKDriver{public:

//DriverEntry负责驱动程序的初始化，必须重载 virtualNTSTATUS

DriverEntry(PUNICODE_STRINGRegistryPath);

//AddDevice初始化驱动程序所控制的设备，必须重载virtualNTSTATUSAddDevice(PDEVICE_OBJECTPdo);

//Unload删除由DriverEntry所分配的资源 virtualVOIDUnload(void);};第11章Windows环境下输入输出程序设计//HelloWdm.h-includefilef24//hellodev.h-includefilefordeviceclassofbasicdriverclassSimpleWdmDevice:publicKPnpDevice{public: SimpleWdmDevice(PDEVICE_OBJECTPdo,ULONGUnit);

//PlugandPlayhandlers NTSTATUSOnStartDevice(KIrpI); //设备启动时调用。 NTSTATUSOnStopDevice(KIrpI); //设备停止时调用。 NTSTATUSOnRemoveDevice(KIrpI);

//设备删除时调用。

//UserControlhandlers

//设备打开时调用，应用程序使用Create函数时调用。第11章Windows环境下输入输出程序设计//hellodev.h-includefilef25virtualNTSTATUSCreate(KIrpI); //设备关闭时调用，即应用程序使用Create函数时调用。virtualNTSTATUSClose(KIrpI); //设备功能调用，应用程序使用DeviceIoControl函数时被调用 virtualNTSTATUSDeviceControl(KIrpI); //PowerManagementhandlers NTSTATUSOnDevicePowerUp(KIrpI); // NTSTATUSOnDeviceSleep(KIrpI); //设备睡眠时调用 NTSTATUSOnSetPower(KIrpI); // NTSTATUSDefaultPnp(KIrpI); // NTSTATUSDefaultPower(KIrpI); };第11章Windows环境下输入输出程序设计virtualNTSTATUSCreate(KIrp2611.3Windows2000/XP下输入

输出的实现Windows是一个基于“消息传递”机制的多任务操作系统。用户程序需要访问硬件设备时，通过调用API函数调用该设备的驱动程序。WIN32将用户的请求组合成为一个IRP包，向内核发送“消息”。 内核组件根据IRP中的PDO字段，将该“消息”传送给对应的WDM驱动程序。 驱动程序完成硬件设备的访问后，向用户程序返回结果。 调用驱动程序的过程，就是用户程序和驱动程序之间传递消息，交换数据，进行通信的过程。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.3Windows2000/XP下输入

27 用户程序完成对设备的访问有两种方式等待方式下，用户程序调用驱动程序，等待驱动程序完成对硬件设备的访问。这种方式编程简单。异步方式下，应用程序调用驱动程序，启动了硬件设备后，直接返回进行其它处理，并不等待输入/输出完成。硬件设备完成了数据输入输出后，由驱动程序通知应用程序进行进一步的处理。这时，需要由驱动程序发起和应用程序的通信。这种方式下，要用到反调函数、Win32事件通知等方法。第11章Windows环境下输入输出程序设计 用户程序完成对设备的访问有两种方式第11章Windows环28CreateFile()函数用来打开设备，获取设备句柄；设备输入输出控制函数DeviceIoControl()，用来调用WDM驱动程序执行相应的操作（包括设备的控制和数据的输入，输出）;CloseHandle()函数用来关闭设备。也可以使用ReadFile()和WriteFile()函数进行“标准”的输入/输出。11.3.1用于输入/输出的WIN32API函数第11章Windows环境下输入输出程序设计CreateFile()函数用来打开设备，获取设备句柄；1291.打开设备

CreateFile()函数用来打开设备，获取设备句柄，格式如下：HANDLECreateFile(“\\\\.\\SimpleWDMDevice”， //设备的符号链接名GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, //同步打开设备NULL )；使用上述函数时，除了设备名之外，不需要改变其它参数。这里假设设备的名字为SimpleWDMDevice。进行打开操作时首先搜索当前目录，然后搜索Windows系统目录。第11章Windows环境下输入输出程序设计1.打开设备第11章Windows环境下输入输出程302.DeviceIoControl函数调用DeviceIoControl( HANDLE hDevice， //设备句柄 DWORD dwIoControlCode, //控制代码 LPVOID lpInBuffer, //输入数据块指针 DWORD nInBufferSize,//输入数据块大小 LPVOID lpOutBuffer, //输出数据块指针 DWORD nOutBufferSize,//输出数据块大小 LPDWORD lpBytesReturned, //返回字节长度指针 NULL //同步时为NULL ）第11章Windows环境下输入输出程序设计2.DeviceIoControl函数调用第11章Wind31DeviceIoControl函数调用参数hDevice是由CreateFile函数获取的设备句柄。dwIOControlCode是应用程序向WDM驱动程序发出的控制代码。lpInBuffer和nInBufferSize是应用程序向WDM驱动程序传送的I/O数据块的地址及大小。lpOutBuffer、nOutBufferSize和lpBytesReturned是WDM驱动程序返回给应用程序的数据块的地址、大小以及实际返回的字节数。输入/输出缓冲区的格式由驱动程序自行规定。第11章Windows环境下输入输出程序设计DeviceIoControl函数调用参数第11章W323.关闭设备 完成对设备的输入、输出控制后， 应用程序调用CloseHandle(hDevice)关闭设备。第11章Windows环境下输入输出程序设计3.关闭设备第11章Windows环境下输入输出程序设计334.ReadFile和WriteFile函数ReadFile( HANDLE hFile， //设备句柄 LPVOID lpBuffer, //输入数据块指针 DWORDnNumberOfBytesToRead,//输入数据块大小 LPDWORD lpNumberOfBytesRead, //返回的字节数长度指针 NULL ） //同步时为NULLWriteFile( HANDLE hFile， //设备句柄 LPVOID lpBuffer, //输出数据块指针 DWORDnNumberOfBytesToWrite,//输出数据块大小 LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,

//实际输出的字节数长度指针 NULL ） //同步时为NULL第11章Windows环境下输入输出程序设计4.ReadFile和WriteFile函数第11章Wi34 本节以Aedk-LabPCI计算机接口实验仪为例，介绍WDM驱动程序的使用。 该实验设备由一块PCI接口卡和一台接口实验仪组成，将PCI接口卡插入PC机的PCI总线插槽，用连接线把PCI卡和实验机相连接，整个实验仪就成为PC机的一台“外部设备”。在监控软件的控制下，进行PC机与实验仪的通讯，实现对实验过程的全程控制。 PCI卡采用了PLX公司的PCI9052芯片作为接口芯片。11.3.2Windows2000/XP下输入输出举例第11章Windows环境下输入输出程序设计 本节以Aedk-LabPCI计算机接口实验仪为例35 进行硬件连接之后，需要安装驱动程序，在Win2000中也就是安装WDM驱动程序。 在实验设备所附带的软件中，驱动程序文件有两个：INF文件，称为设备信息文件，供驱动程序安装时使用。INF文件指明了硬件驱动该如何安装到系统中，源文件在哪里、安装到哪一个文件夹中、怎样在注册表中加入与设备有关的信息等；后缀为sys的文件，是整个实验仪的驱动程序。一般情况下，INF文件会被复制到Windows2000系统目录中的INF子目录中，Sys文件被复制到System32/drivers子目录中。第11章Windows环境下输入输出程序设计 进行硬件连接之后，需要安装驱动程序，在Win2036安装驱动程序后，在设备管理器中可以看到相应的设备第11章Windows环境下输入输出程序设计安装驱动程序后，在设备管理器中可以看到相应的设备第11章Wi37//设备的头文件//8255Demo.h//控制码#defineIOCTL_PCI_CON //读配置信息 CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x800,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)#defineIOCTL_IO_READ //IO读 CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x801,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)#defineIOCTL_IO_WRITE //IO写 CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x802,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)第11章Windows环境下输入输出程序设计//设备的头文件第11章Windows环境下输入输出程序设计38//设备的头文件//PCI卡配置信息structpci_cfg{ ULONG MemBase[2]; //内存基地址 ULONG MemLength[2]; //内存大小 ULONG IOBase[2]; //IO基地址 ULONG IOPortLength[2]; //IO基长度 ULONG IRQ; //中断号}; //数据缓冲区structBuffers{ ULONG Address; UCHAR Data;};第11章Windows环境下输入输出程序设计//设备的头文件第11章Windows环境下输入输出程序设计39三个控制码800H、801H和802H分别对应于读配置信息、IO读和IO写。pci_cfg是PCI配置信息的格式，下面的示例程序只用到了IOBase[2]数组，其中可以存放该PCI设备申请获得的三处IO空间的首地址。Buffers是应用程序和驱动程序交换数据的缓冲区格式。Buffers有两个域，地址域名为Address，由用户程序向驱动程序传递需要读写的IO端口地址，另一个是数据域Data，读操作时由驱动程序将读到的数据通过它传递给用户程序，写操作时由用户程序将需要输出的数据通过它传递给驱动程序。需要注意的是，控制码以及输入、输出缓冲区的具体格式由驱动程序自行规定，操作系统对此不予干涉。第11章Windows环境下输入输出程序设计三个控制码800H、801H和802H分别对应于读配置信息40 8255A的PA口接8路开关的输入，PB口输出，接8个发光二极管。 程序的功能是将PA输入的开关量，向PB口输出，用8个开关分别控制8个发光二极管。 输入全零时，程序结束运行。使用实验仪8255A芯片进行开关量输入输出第11章Windows环境下输入输出程序设计 8255A的PA口接8路开关的输入，PB口输出，接8个发41 下面的示例程序中，"\\\\.\\PCI9052Device0"是设备名，只要安装了设备驱动程序，系统就可认出该设备名。 除了主函数，示例程序还包含了四个子函数。

OpenDevice函数打开设备，如果成功则返回设备句柄，失败则程序结束。

GetPCIConfig函数读取设备的配置信息，如果不成功，程序也要结束。

ReadIO和WriteIO是对IO端口的读、写函数。

上面三个子函数都通过调用API函数DeviceIoControl()实现他们各自的功能，区别主要在于使用了不同的控制代码。使用实验仪8255A芯片进行开关量输入输出第11章Windows环境下输入输出程序设计 下面的示例程序中，"\\\\.\\PCI9052Devi42示例程序函数关系第11章Windows环境下输入输出程序设计示例程序函数关系第11章Windows环境下输入输出程序设计43 主函数首先打开设备，读取PCI卡的配置信息。实验设备中8255的片选端连接在译码器的最低端，因此，PCI卡的IO基地址就是8255的PA口地址，依次是PB口的地址、PC口的地址和控制口的地址。 用户编写的ReadIO函数调用DeviceIoControl函数时，输入和输出缓冲区使用同一个缓冲区buf。端口地址是输入参数，调用之前预先置入输入缓冲区buf的Address字段。读操作获得的数据是输出参数，调用完成后从buf的Data字段中取得。 主函数从PA口读入数据，然后向PB口输出，这样就可以用8个开关来分别控制8个发光二极管。读入数据data为零时，程序结束。第11章Windows环境下输入输出程序设计 主函数首先打开设备，读取PCI卡的配置信息。实验设备中844//8255IO读写演示程序，Demo.c#include"8255Demo.h"char*sLinkName="\\\\.\\PCI9052Device0";structpci_cfgpci;structBuffersbuf;HANDLEOpenDevice(){ HANDLEhDevice; hDevice=CreateFile( sLinkName, GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, NULL);第11章Windows环境下输入输出程序设计//8255IO读写演示程序，Demo.c第11章Windo45 if(hDevice==INVALID_HANDLE_VALUE) { printf("请检查PCI卡和驱动程序\n"); exit; } returnhDevice;}第11章Windows环境下输入输出程序设计 if(hDevice==INVALID_HAND46voidGetPCIConfig(HANDLEhDevice){ BOOLstatus; DWORDrc; status=DeviceIoControl(hDevice,IOCTL_PCI_CON, NULL,0,&pci,sizeof(pci_cfg),&rc,NULL); //调用DeviceIoControl函数； //获取PCI设备配置 if(!status){ printf("无法获取pci配置信息\n"); exit; } return;}第11章Windows环境下输入输出程序设计voidGetPCIConfig(HANDLEh47 if(hDevice==INVALID_HANDLE_VALUE) { printf("请检查PCI卡和驱动程序\n"); exit; } returnhDevice;}第11章Windows环境下输入输出程序设计 if(hDevice==INVALID_HAND48 voidWriteIO(WORDport,BYTEdata){ BOOLstatus; DWORDrc; buf->Address=port; //端口地址写入IO缓冲区 buf->Data=data; //输出数据写入IO缓冲区 status=DeviceIoControl(hDevice, IOCTL_IO_WRITE,&buf, sizeof(Buffers),NULL,0,&rc,NULL); //调用DeviceIoControl函数 //向设备进行输出 if(!status)printf("无法写入\n");}第11章Windows环境下输入输出程序设计 voidWriteIO(WORDport,BYTE49 UCHARReadIO(WORDport){ DWORDrc; BOOLstatus buf->Address=port;//将端口地址写入IO缓冲区 status=DeviceIoControl(hDevice,IOCTL_IO_READ,

&buf,sizeof(Buffers),&buf,sizeof(Buffers), &rc,NULL); //调用DeviceIoControl函数 //从设备输入 if(!status)printf("无法读出\n"); returnbuf->Data;}第11章Windows环境下输入输出程序设计 UCHARReadIO(WORDport)第11章W50 voidmain(){ HANDLE hDevice; WORD 8255PAaddr,8255PBaddr,8255ConAddr; UCHAR data; hDevice=OpenDevice(); //打开设备 GetPCIConfig(hDevice); //读取配置信息 8255PAaddr=pci.IOBase[1] //取得PA口地址 8255PBaddr=pci.IOBase[1]+1; //取得PB口地址 8255ConAddr=pci.IOBase[1]+3; //取得控制口地址 WriteIO(8255ConAddr,0x90); //写控制字90h，方式0，PA口读，PB口写第11章Windows环境下输入输出程序设计 voidmain()第11章Windows环境下输入输出51

do{ data=ReadIO(8255PAaddr); //从PA口读取数据 WriteIO(8255PBaddr,data); //将数据写入PB口 }while(data); //数据不为0继续

CloseHandle(hDevice); //关闭设备 return;} 第11章Windows环境下输入输出程序设计 第11章Windows环境下输入输出程序设计52演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew2022/12/17第11章Windows环境下输入输出程序设计演讲完毕，谢谢听讲!再见，seeyouagain3rew53第11章Windows环境下输入输出程序设计2022/12/17第11章Windows环境下输入输出程序设计第11章Windows环境下输入输出程序设计2022/12/54Windows是一个多任务操作系统，在保护模式下工作。Windows操作系统不支持用户程序对计算机底层硬件进行直接控制。用户程序需要输入/输出时，可以通过通过API（ApplicationProgramInterface，应用程序接口）来调用设备驱动程序，对设备实现间接控制，进行输入/输出。Windows9x使用VxDs（VirtualDeviceDriver’s，虚拟设备驱动）设备驱动程序。Windows2000/XP使用WDM（WindowsDriverModel，Windows驱动程序模型）设备驱动程序。第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows是一个多任务操作系统，在保护模式下工作。第115511.1Windows设备驱动程序

11.1.1虚拟设备 在多任务运行环境下，计算机内的硬件、软件资源为多个任务共享。任何一个用户程序都不能独占系统的硬件、软件资源。虚拟设备实质上是真实物理设备的部分资源和相关软件的组合，用来完成用户程序需要的功能。虚拟设备不但可以代表实际存在的硬件设备，还可以模拟实际上不存在的“设备”，供用户使用。计算机上的“虚拟光驱”就是一个典型的虚拟设备。与这个设备同名的物理设备是不存在的，用户使用的是硬盘的部分存储空间以及相应的服务程序。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.1Windows设备驱动程序11.1.156使用虚拟设备好处：实现多任务对系统资源的共享，方便用户的使用；实现任务与任务、任务与系统之间的隔离和保护；规范外部设备输入、输出方法，使不同工作方式的设备用相同的方式进行输入输出。对Windows应用程序来讲，虚拟设备就是真实设备，应用程序分不清那个设备是由真实硬件支持的真实设备，那个设备是由虚拟设备驱动程序模拟的虚拟设备。第11章Windows环境下输入输出程序设计使用虚拟设备好处：第11章Windows环境下输入输出程序设5711.1.2

Windows9X设备驱动程序Windows9x是一个分层结构的操作系统，由工作在两个不同层面的组件构成：顶层组件，工作在Ring3层；底层组件，工作在Ring0层。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.1.2Windows9X设备驱动程序58顶层：Windows9x操作系统的顶层组件工作在特权级3，称为ring3层。它给应用程序的运行提供Win32API服务。Windows9x应用程序和Win32API服务一起构成操作系统的顶层，称为系统虚拟机（VM，VirtualMachine）。对于一个任务来说，这些服务程序以及他们所掌控的硬件资源就是一台“实实在在”的计算机。但是，对于整个系统来说，他们只是由操作系统向用户提供的一个运行用户程序的平台，包括为这个应用程序服务的操作系统组件和部分的硬件资源。每一个DOS应用程序都在一个独立的虚拟机中运行，操作系统允许多个虚拟机同时处于运行状态。第11章Windows环境下输入输出程序设计顶层：第11章Windows环境下输入输出程序设计59底层：Windows9x操作系统的底层组件工作在0特权级，称为ring0层，它就是虚拟机管理器（VMM，VirtualMachineManager）。Windows9x虚拟机管理器由一个内核服务集和许多虚拟设备驱动程序（VxDs，VirtualDeviceDriver’s）组成。许多VxDs是由Microsoft公司随操作系统提供的，如键盘和显示器等的VxDs，有的VxD则由设备制造商提供，或者由用户自行编写。VxD用来支持特定的硬件或软件，完成需要的功能。VxDs中的程序运行在ring0层，可以执行所有的指令，完成所需的任何软硬件的操作。第11章Windows环境下输入输出程序设计底层：第11章Windows环境下输入输出程序设计60 对于应用程序而言，虚拟机管理器是透明的，应用程序感觉不到管理器的存在。 微软已经宣布，从2006年6月起不再提供对Windows9x的技术支持。因此，Windows9x和VxDs的使用将逐渐减少。随着Windows2000/XP的广泛使用，WDM驱动程序的开发和使用已成为主流。第11章Windows环境下输入输出程序设计 对于应用程序而言，虚拟机管理器是透明的，应用程序感觉不到6111.1.3

Windows2000/XP设备驱动程序Windows2000操作系统组件的层次结构 Windows2000操作系统的功能模块划分为用户模式和内核模式两大类。用户模式的操作系统功能模块工作在ring3层，他们不能使用CPU中的特权指令，连同IN、OUT这样的非特权指令也被禁止。所有的用户程序都在这一层上运行。内核模式的操作系统模块工作在ring0层，可以使用CPU的任何指令。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.1.3Windows2000/XP设备驱动程序Wi62Windows2000操作系统的层次结构第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows2000操作系统的层次结构第11章Windo632.Windows2000的设备驱动程序Windows2000的驱动程序也有两种不同的类型。

用户模式驱动程序工作在用户模式，通过调用内核模式驱动程序实现指定的功能。用户模式驱动程序不能直接对硬件设备进行访问，仅仅用于构建一个硬件或软件的运行环境。

Windows内核驱动程序工作在内核模式，可以直接访问硬件设备。每个设备驱动程序都有一组完成各种功能的函数，通过调用这些函数可以对某一设备完成特定的操作。第11章Windows环境下输入输出程序设计2.Windows2000的设备驱动程序第11章Wi64内核模式驱动程序的类型文件系统驱动程序可以在本地硬盘、网络、移动存储设备或各种有存储能力的硬件设备实现标准的文件系统，如FAT32、NTFS系统等。PnP驱动程序是一种遵循Windows2000即插即用协议的内核模式驱动程序。WDM驱动程序是一种PnP驱动程序。它同时还遵守电源管理协议。显示驱动程序是一种特殊的内核驱动程序。此类的驱动程序还有打印驱动程序、多媒体驱动程序、网络驱动程序等。遗留设备驱动程序主要用在WindowsNT系统中，它也可以运行在Windows2000系统中。第11章Windows环境下输入输出程序设计内核模式驱动程序的类型第11章Windows环境下输入输出程65Windows2000内核模式驱动程序的类型第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows2000内核模式驱动程序的类型第11章Win6611.2WDM驱动程序

WDM是Microsoft力推的新型驱动程序模型，首先出现在WindowsNT中，现在的Windows98/Me/2000/XP都支持WDM。微软宣称，在后续的操作系统中将继续支持WDM。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.2WDM驱动程序WDM是Mi67WDM是一个分层的驱动程序。它至少有功能驱动程序（Functiondriver）和总线驱动程序（Busdriver）两个层面。功能驱动程序提供一个设备的使用功能，或者可以认为它就是一个设备的驱动程序。用户程序需要使用该设备时，需要调用功能驱动程序中的功能函数。总线驱动程序负责系统启动时设备的安装、检测，并确定设备的资源使用情况。设备的启动、停止，设备的初始化，设备的电源管理等功能也都由总线驱动程序提供。11.2.1WDM驱动程序模型和层次结构第11章Windows环境下输入输出程序设计WDM是一个分层的驱动程序。它68 WDM引入了

功能设备对象FDO（FunctionalDeviceObject）

物理设备对象PDO（PhysicalDeviceObject）

两个新概念来描述硬件。一个PDO对应一个真实硬件。一个硬件只允许有一个PDO，却可以拥有多个FDO，在驱动程序中直接操作的不是硬件而是相应的PDO与FDO。根据具体的需要还可以选择过滤驱动程序（filterdriver）。第11章Windows环境下输入输出程序设计 WDM引入了

功能设备对象FDO（FunctionalDe69Windows20000的输入输出是包驱动的应用程序调用WDM驱动程序时，系统为每一个用户的请求打包，形成一个I/O请求包（I/ORequestPackage，IRP），然后将其发送至驱动程序。IRP中的PDO字段用来区别是发送给哪一个设备的。某个层次的驱动程序得到IRP后，分析其中的请求，完成本层应该完成的任务。如果IRP要求的任务已经完成，该层次的驱动程序就向上一层传送结果并逐层返回。如果IRP中的请求尚未完成，那么就继续向下层驱动程序传递这个IRP。内核组件就是这样通过发送IRP来运行驱动程序中的代码第11章Windows环境下输入输出程序设计Windows20000的输入输出是包驱动的第11章Wind70WDM驱动程序层次与I/O请求过程第11章Windows环境下输入输出程序设计WDM驱动程序层次与I/O请求过程第11章Windows环7111.2.2

WDM驱动程序开发工具 目前有两个主要的工具来开发设备驱动程序，一个是Microsoft公司提供的WindowsDDK。它有Windows98DDK、Windows2000DDK、WindowsXPDDK和Windows2003DDK四个版本，分别用来支持相应的四个操作系统中VxD和WDM驱动程序的开发。 用WindowsDDK开发驱动程序难度较大。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.2.2WDM驱动程序开发工具 72另一个驱动程序开发工具是NuMega公司提供的DriverStudio，其中包含VtoolsD、DriversWorks、DriversNetWorks和SoftICE。VtoolsD用来开发Windows98的VxD驱动程序。DriversWorks和DriversNetWorks分别用来开发一般设备和网络设备的WDM驱动程序。SoftICE是一个功能强大的调试工具。第11章Windows环境下输入输出程序设计另一个驱动程序开发工具是NuMega公司提供的Dr73DriverStudio的开发是建立在WindowsDDK的基础上的，安装DriverStudio时，先要安装WindowsDDK。DriverStudio将WindowsDDK的内容封装在一些基本的类中，使用VC++编程。使用DriverStudio来开发Windows的驱动程序，相对WindowsDDK来讲要容易得多。DriverStudio使用开发向导，帮助你建立编写驱动程序所需要的工程文件和程序框架文件，这些文件已经组成了一个完整的设备驱动程序。接下来的工作就是将这些文件导入到VC++的开发环境中，添加具体的操作代码，进行进一步的开发。第11章Windows环境下输入输出程序设计DriverStudio的开发是建立在WindowsDDK7411.2.3

DriverStudio中的WDM驱动程序结构

从基本WDM启动程序的两个头文件中可以大致看清WDM驱动程序的基本框架结构。KDriver是WDM驱动程序的基类，任何驱动程序都要从继承该类开始。SimpleWdmDriver驱动程序从派生KDriver类开始。SimpleWdmDevice是KPnpDevice类的派生类。重载其某些成员函数便可处理相应事件的发生。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.2.3DriverStudio中的WDM驱动程序结75最重要的方法是virtualNTSTATUSDeviceControl(KIrpI)，应用程序中原本需要对硬件设备的I/O访问指令被移到了DeviceControl中。应用程序需要访问硬件设备时，可以使用DeviceIoControl函数，最后DeviceIoControl会调用DeviceControl，从而完成对设备的I/O访问。可以说DeviceControl就是功能驱动程序。第11章Windows环境下输入输出程序设计最重要的方法是virtualNTSTATUSDevice76//HelloWdm.h-includefileforbasicWDMdriverclassSimpleWdmDriver:publicKDriver{public:

//DriverEntry负责驱动程序的初始化，必须重载 virtualNTSTATUS

DriverEntry(PUNICODE_STRINGRegistryPath);

//AddDevice初始化驱动程序所控制的设备，必须重载virtualNTSTATUSAddDevice(PDEVICE_OBJECTPdo);

//Unload删除由DriverEntry所分配的资源 virtualVOIDUnload(void);};第11章Windows环境下输入输出程序设计//HelloWdm.h-includefilef77//hellodev.h-includefilefordeviceclassofbasicdriverclassSimpleWdmDevice:publicKPnpDevice{public: SimpleWdmDevice(PDEVICE_OBJECTPdo,ULONGUnit);

//PlugandPlayhandlers NTSTATUSOnStartDevice(KIrpI); //设备启动时调用。 NTSTATUSOnStopDevice(KIrpI); //设备停止时调用。 NTSTATUSOnRemoveDevice(KIrpI);

//设备删除时调用。

//UserControlhandlers

//设备打开时调用，应用程序使用Create函数时调用。第11章Windows环境下输入输出程序设计//hellodev.h-includefilef78virtualNTSTATUSCreate(KIrpI); //设备关闭时调用，即应用程序使用Create函数时调用。virtualNTSTATUSClose(KIrpI); //设备功能调用，应用程序使用DeviceIoControl函数时被调用 virtualNTSTATUSDeviceControl(KIrpI); //PowerManagementhandlers NTSTATUSOnDevicePowerUp(KIrpI); // NTSTATUSOnDeviceSleep(KIrpI); //设备睡眠时调用 NTSTATUSOnSetPower(KIrpI); // NTSTATUSDefaultPnp(KIrpI); // NTSTATUSDefaultPower(KIrpI); };第11章Windows环境下输入输出程序设计virtualNTSTATUSCreate(KIrp7911.3Windows2000/XP下输入

输出的实现Windows是一个基于“消息传递”机制的多任务操作系统。用户程序需要访问硬件设备时，通过调用API函数调用该设备的驱动程序。WIN32将用户的请求组合成为一个IRP包，向内核发送“消息”。 内核组件根据IRP中的PDO字段，将该“消息”传送给对应的WDM驱动程序。 驱动程序完成硬件设备的访问后，向用户程序返回结果。 调用驱动程序的过程，就是用户程序和驱动程序之间传递消息，交换数据，进行通信的过程。第11章Windows环境下输入输出程序设计11.3Windows2000/XP下输入

80 用户程序完成对设备的访问有两种方式等待方式下，用户程序调用驱动程序，等待驱动程序完成对硬件设备的访问。这种方式编程简单。异步方式下，应用程序调用驱动程序，启动了硬件设备后，直接返回进行其它处理，并不等待输入/输出完成。硬件设备完成了数据输入输出后，由驱动程序通知应用程序进行进一步的处理。这时，需要由驱动程序发起和应用程序的通信。这种方式下，要用到反调函数、Win32事件通知等方法。第11章Windows环境下输入输出程序设计 用户程序完成对设备的访问有两种方式第11章Windows环81CreateFile()函数用来打开设备，获取设备句柄；设备输入输出控制函数DeviceIoControl()，用来调用WDM驱动程序执行相应的操作（包括设备的控制和数据的输入，输出）;CloseHandle()函数用来关闭设备。也可以使用ReadFile()和WriteFile()函数进行“标准”的输入/输出。11.3.1用于输入/输出的WIN32API函数第11章Windows环境下输入输出程序设计CreateFile()函数用来打开设备，获取设备句柄；1821.打开设备

CreateFile()函数用来打开设备，获取设备句柄，格式如下：HANDLECreateFile(“\\\\.\\SimpleWDMDevice”， //设备的符号链接名GENERIC_READ|GENERIC_WRITE, FILE_SHARE_READ|FILE_SHARE_WRITE, NULL, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, //同步打开设备NULL )；使用上述函数时，除了设备名之外，不需要改变其它参数。这里假设设备的名字为SimpleWDMDevice。进行打开操作时首先搜索当前目录，然后搜索Windows系统目录。第11章Windows环境下输入输出程序设计1.打开设备第11章Windows环境下输入输出程832.DeviceIoControl函数调用DeviceIoControl( HANDLE hDevice， //设备句柄 DWORD dwIoControlCode, //控制代码 LPVOID lpInBuffer, //输入数据块指针 DWORD nInBufferSize,//输入数据块大小 LPVOID lpOutBuffer, //输出数据块指针 DWORD nOutBufferSize,//输出数据块大小 LPDWORD lpBytesReturned, //返回字节长度指针 NULL //同步时为NULL ）第11章Windows环境下输入输出程序设计2.DeviceIoControl函数调用第11章Wind84DeviceIoControl函数调用参数hDevice是由CreateFile函数获取的设备句柄。dwIOControlCode是应用程序向WDM驱动程序发出的控制代码。lpInBuffer和nInBufferSize是应用程序向WDM驱动程序传送的I/O数据块的地址及大小。lpOutBuffer、nOutBufferSize和lpBytesReturned是WDM驱动程序返回给应用程序的数据块的地址、大小以及实际返回的字节数。输入/输出缓冲区的格式由驱动程序自行规定。第11章Windows环境下输入输出程序设计DeviceIoControl函数调用参数第11章W853.关闭设备 完成对设备的输入、输出控制后， 应用程序调用CloseHandle(hDevice)关闭设备。第11章Windows环境下输入输出程序设计3.关闭设备第11章Windows环境下输入输出程序设计864.ReadFile和WriteFile函数ReadFile( HANDLE hFile， //设备句柄 LPVOID lpBuffer, //输入数据块指针 DWORDnNumberOfBytesToRead,//输入数据块大小 LPDWORD lpNumberOfBytesRead, //返回的字节数长度指针 NULL ） //同步时为NULLWriteFile( HANDLE hFile， //设备句柄 LPVOID lpBuffer, //输出数据块指针 DWORDnNumberOfBytesToWrite,//输出数据块大小 LPDWORD lpNumberOfBytesWritten,

//实际输出的字节数长度指针 NULL ） //同步时为NULL第11章Windows环境下输入输出程序设计4.ReadFile和WriteFile函数第11章Wi87 本节以Aedk-LabPCI计算机接口实验仪为例，介绍WDM驱动程序的使用。 该实验设备由一块PCI接口卡和一台接口实验仪组成，将PCI接口卡插入PC机的PCI总线插槽，用连接线把PCI卡和实验机相连接，整个实验仪就成为PC机的一台“外部设备”。在监控软件的控制下，进行PC机与实验仪的通讯，实现对实验过程的全程控制。 PCI卡采用了PLX公司的PCI9052芯片作为接口芯片。11.3.2Windows2000/XP下输入输出举例第11章Windows环境下输入输出程序设计 本节以Aedk-LabPCI计算机接口实验仪为例88 进行硬件连接之后，需要安装驱动程序，在Win2000中也就是安装WDM驱动程序。 在实验设备所附带的软件中，驱动程序文件有两个：INF文件，称为设备信息文件，供驱动程序安装时使用。INF文件指明了硬件驱动该如何安装到系统中，源文件在哪里、安装到哪一个文件夹中、怎样在注册表中加入与设备有关的信息等；后缀为sys的文件，是整个实验仪的驱动程序。一般情况下，INF文件会被复制到Windows2000系统目录中的INF子目录中，Sys文件被复制到System32/drivers子目录中。第11章Windows环境下输入输出程序设计 进行硬件连接之后，需要安装驱动程序，在Win2089安装驱动程序后，在设备管理器中可以看到相应的设备第11章Windows环境下输入输出程序设计安装驱动程序后，在设备管理器中可以看到相应的设备第11章Wi90//设备的头文件//8255Demo.h//控制码#defineIOCTL_PCI_CON //读配置信息 CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x800,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)#defineIOCTL_IO_READ //IO读 CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x801,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)#defineIOCTL_IO_WRITE //IO写 CTL_CODE(FILE_DEVICE_UNKNOWN,0x802,METHOD_BUFFERED,FILE_ANY_ACCESS)第11章Windows环境下输入输出程序设计//设备的头文件第11章Windows环境下输入输出程序设计91//设备的头文件//PCI卡配置信息structpci_cfg{ ULONG MemBase[2]; //内存基地址 ULONG MemLength[2]; //内存大小 ULONG IOBase[2]; //IO基地址 ULONG IOPortLength[2]; //IO基长度 ULONG IRQ; //中断号}; //数据缓冲区structBuffers{ ULONG Address; UCHAR Data;};第11章Windows环境下输入输出程序设计//设备的头文件第11章Windows环境下输入输出程序设计92三个控制码800H、801H和802H分别对应于读配置信息、IO读和IO写。pci_cfg是PCI配置信息的格式，下面的示例程序只用到了IOBase[2]数组，其中可以存放该PCI设备申请获得的三处IO空间的首地址。Buffers是应用程序和驱动程序交换数据的缓冲区格式。Buffers有两个域，地址域名为Address，由用户程序向驱动程序传递需要读写的IO端口地址，另一个是数据域Data，读操作时由驱动程序将读到的数据通过它传递给用户程序，写操作时由用户程序将需要输出的数据通过它传递给驱动程序。需要注意的是，控制码以及输入、输出缓冲区的具体格式由驱动程序自行规定，操作系统对此不予干涉。第11章Windows环境下输入输出程序设计三个控制码800H、801H和802H分别对应于读配置信息93 8255A的PA口接8路开关的输入，PB口输出，接8个发光二极管。 程序的功能是将PA输入的开关量，向PB口输出，用8个开关分别控制8个发光二极管。 输入全零时，程序结束运行。使用实验仪8255A芯片进行开关量输入输出第11章Windows环境下输入输出程序设计 8255A的PA口接8路开关的输入，PB口输出，接8个发94 下面的示例程序中，"\\\\.\\PCI9052Device0"是设备名，只要安装了设备驱动程序，系统就可认出该设备名。 除了主函数，示例程序还包含了四个子函数。

OpenDevice函数打开设备，如果成功则返回设备句柄，失败则程序结束。

GetPCIConfig函数读取设备的配置信息，如果不成功，程序也要结束。

ReadIO和WriteIO是对IO端口的读、写函数。

上面三个子函数都通过调用API函数DeviceIoControl()实现他们各自的功能，区别主要在于使用了不同的控制代码。使用实验仪8255A芯片进行开关量输入输出第11章Windows环境下输入输出程序设计 下面的示例程序中，"\\\\.\\PCI9052Devi95示例程序函数关系第11章Windows环境下输入输出程序设计示例程序