基于WDF的PCI/PCIe接口卡Windows驱动程序（1）-WDF概述及开发环境搭建

原文出处：http://www.cnblogs.com/jacklu/p/4619110.html

本科毕业设计是这方面的工作，所以想开几篇博客来介绍使用WDF开发PCI/PCIe接口卡的驱动程序方法。

这个系列的博客将首先用一个篇幅为不懂Windows 下PCI/PCIe驱动开发的介绍WDF和开发环境搭建，接下来几篇将直接讲述程序编写，

看完这几篇后，希望能够帮助读者了解如何通过500行左右的代码实现一个标准的PCIe接口卡驱动程序。

毕设题目的PCIe板卡是BAR0下映射两个5K的内存，偏移地址为0x20000和0x22000，源代码在文章结束后会考虑公布

1.1WDM与WDF

Windows平台下的设备驱动程序从Windows 2000开始都是以WDM ( Windows Driver Model) 框架为平台进行开发。以此模型开发，开发者需要一方面实现驱动程序与硬件的交互，另一方面要对操作系统内核进行操作，难度大。驱动程序容易出现问题，这也是Windows2000以来操作系统容易蓝屏的原因。

为了改善这种局面，降低驱动程序开发者的开发难度，提高系统稳定性，微软推出了新的驱动程序开发模型WDF。WDF对WDM进行了封装，将驱动程序中与操作系统交互的细节由框架实现。这样驱动程序就从内核中分离出来，开发者只需要专注处理与硬件的交互，简化了驱动程序的设计，提高了整个系统的可靠性和稳定性。WDM与WDF样例驱动程序对比如下表所示。通过该表可以看到基于WDF框架的驱动程序，代码量显著减少，开发起来更加容易。

WDF是UMDF（User Mode Driver Framework，用户模式驱动程序框架）和KMDF（Kernel Mode Driver Framework，内核模式驱动程序框架）的总和。由于本课题基于PCIe硬件设备进行驱动开发，涉及到内存读写等内核操作，所以使用KMDF框架来编写驱动程序。

1.2 Windows驱动程序

我们知道Windows是一个分层的操作系统，它的运行依赖于上层组件向下层组件的调用。一个简化的I/O流模型如下图：

1.3 WDF框架

通过参考《竹林蹊径深入浅出Windows驱动开发》和《Developing_drivers_with_the_Microsoft_Windows_Driver_Foundation》，WDF抽象的框架如下图所示：

WDF已经把驱动程序开发做了很好的封装，开发者只需要定义框架对象和编写事件回调函数。WDF中也采用对象，但是它和C++这种编程语言中的对象不相同，毕竟WDF是C写的。如何解释WDF的对象我也做不到，我的一直把WDF中的对象看做一种数据结构，比如WDFDRIVER对象，其实就是一个与驱动程序相关的结构体。另外，WDF中也有例程这样的称呼，是对routine的翻译，可以理解为函数体。所以简单来说，对PCIe驱动程序来说，开发者需要定义一些结构体，编写几个函数就ok了，具体如何被调用，那就是WDF框架内部的事情了，我们只需要知道，当我们注册好编写好的回调例程之后，当事件发生（设备插入、设备打开、I/O操作等）时，WDF会自动帮我们调用相关的例程。

1.4 开发环境搭建

Windows 驱动程序开发工具包 (WDK) 与 Microsoft Visual Studio 和用于 Windows 驱动程序的调试工具相集成。该集成环境给开发者提供了开发、构建、打包、部署、测试和调试驱动程序时所需的工具。

本课题确定时，微软的最新驱动程序工具包为WDK8.1。WDK8.1 更新与 Microsoft Visual Studio2013 集成。开发者需要首先在微软的官方网站上下载并安装 Visual Studio 2013，然后安装WDK 8.1 更新。微软声明不再对WDK8.0提供支持，也不再对WDK 8.0做任何更新，WDK8.0也不支持Windows8.1的驱动程序开发。所以本课题选用WDK8.1作为开发工具包。然而新技术发展速度飞快，在本课题完成之际，微软打算极力推广的Windows 10操作系统还未正式公布，针对Windows 10的驱动程序开发工具包WDK 10已经推出。未来一定会推广使用WDK10来开发。

下载链接：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/windows/hardware/hh852365，下载两个安装包，依次安装，非常简单。

1.5 PCIe简介

最后简要介绍一下PCIe。

PCIe协议采用分层结构，如下图所示，PCIe的结构主要由以下三个层次组成，它们分别是：传输层（Transaction Layer），数据链路层（Data Link Layer）以及物理层（Physical Layer）。其中物理层又可以分为两个子层：逻辑子层（Logical Sub-block）和电气子层（Electrical Sub-Block）。

TLP（Transaction Layer Packet）由传输层产生，通过使用存储器事务，I/O事务，配置事务和消息事务来进行信息数据的通信；DLLP（Data Link Layer Packet）由数据链路层产生，用来在该链路上两个直连设备之间传递信息，其内容主要包括功耗管理信息，流控制信息以及 TLP 的应答信息等。DLLP只开始在数据链路层，并止于数据链路层，不会上传到传输层。

以上是希望读者能够对PCIe有个初步的了解，但是对驱动程序的开发并没什么卵用。

对PCIe设备来说，它可以有三个相互独立的物理地址空间：设备存储器地址空间、I/O地址空间和配置空间。因为PCIe设备支持即插即用，所以并不占用固定的内存地址和I/O地址，而是在设备插入时由操作系统决定其映射的基址。配置空间对设备控制程序设计来说非常关键。PCIe设备支持基本的256字节PCI兼容配置空间。对PCI/PCIe设备来说，其基本的配置空间为前64字节，如下图所示。

由于PCIe是基于PCI提出的，地址空间模型没有变化，所以PCI控制软件可以完全兼容PCIe设备。

下一篇博客将讲述PCIe的WDF驱动程序中几个非常重要的概念，对初学者了解WDF非常有用。