Vista 驅動程式設計-WDF架構

http://4rdp.blogspot.com/2010/12/vista-wdf.html

最近整理資料，發現這篇三年前的研習報告，在此發表當作記錄。對此課程有興趣的朋友，可以洽詢傳識資訊。


研習動機

研發 USB-CDC 介面過程中，曾遭遇 USB 熱插拔後，應用程式 COM port 無法釋放問題，經多方追查，發現問題在於 Microsoft USBCDC.SYS 驅動程式上，為了深入了解 Windows Driver 及解決問題，引發學習動機。


課程綱要

從 WDM (Windows Driver Model) 基本架構及運作流程介紹起，再導入 WDF (Windows Driver Foundation) 設計，並藉由 Cypress FX2 board 練習 Driver 修改及除錯，逐步熟悉其技巧，對驅動程式設計有完整概念。

WDM 是從 Win98 時代沿用至今的驅動程式模組，因應新作業系統 Vista 微軟推廣 WDF 設計，一來可大幅降低程式碼，二來提昇系統穩定度與效能，不過所有的功能函數、系統宣告與變數的命名方式全面變革。

WDF 分兩大類
KMDF (Kernel-Mode Driver Foundation) 與 UMDF (User-Mode Driver Foundation)，兩者程式碼差異極大。前者採 C 寫碼，後者用 C++ 更物件導向。UMDF 適合簡單、無中斷、對時序要求不高的驅動程式，所以設計前須確定採用何種方式。

以一個 USB 轉 RS-232 驅動程式為例，用 WDM 設計約需 40000行程式碼，用 WDF 設計則須20000行。採用 WDF 設計的好處為程式更結構化，因為視窗系統對驅動程式未定義到的部分，都有內定處理方式，程式設計師只要針對需要的部分追加功能，尤其是 UMDF，不會因驅動程式異常而造成當機。

開發 Windows Driver 至少須安裝 WDK (Build 6000) 及 DbgView。WDK 須向微軟官方網站註冊免費下載，共2.4GB，電腦主機至少 Win 2000、RAM 1GB，於 DOS 環境下建立程式，程式設計時不可使用 ANSI 標準 Library。另外對 64-bit 作業系統，程式碼須調整，有諸多限制。


研習心得

公司主要營利項目為儀表之研發與製造，在軟韌體領域，重點放在儀表上韌體設計，其次為電腦應用程式。驅動程式主要搭配作業系統運作，上與應用程式連結，向下則控制電腦硬體，擔任應用程式與電腦硬體間溝通的角色。

一般而言，自行設計之應用程式搭配作業系統或 Chip Set 原廠提供的驅動程式，可達成 99.9% 以上使用需求。若要涉入開發驅動程式，撇開開發人力問題，首先必須面對作業系統相容性問題。完成的驅動程式須經微軟認證，取得 .cat 檔，安裝過程才不會產生警告畫面，認證費用須美金 3000元。

有一種情形是必須自行設計驅動程式 - 不變更現有的應用程式，卻須有新功能展現。例如，透過網路撥放音樂，實現這項功能的方法有二：
一、設計新播放應用程式，開啟本機音樂檔，將資料轉送至網路，播放之主機接收資料後從喇叭播音。
二、變更本機喇叭驅動程式，使用本機原有的音樂撥放程式，當播音時，本機的喇叭驅動程式攔截到資料，就轉送至網路，由播音之主機播出。

先前 usbcdc.sys 無法處理熱插拔，主因在驅動程式未對 Surprise Removal 處理。
關於 USB-CDC，微軟並未提供原始碼，但是可以參考 WDK 提供的 Serial - USB driver sample code 修改，驅動程式運作的流程如下：
應用程式透過 IO Manager 呼叫 COM port，IO Manager 會將需求指向自行設計的 Virtual COM driver，這個 driver 會將資料轉交給 USB driver，對 USB 實體控制。

研習本課程後，雖然無法立即對現有專案產生助益，但是對日後研發問題的解析排除或新商品的設計仍有深遠的幫助，可減少資料蒐集與問題解析所發費的時間， 並且也了解相關資源，加速解決問題的速度。