实战DeviceIoControl 之六：访问物理端口

Q 在NT/2000/XP中，如何读取CMOS数据？

Q 在NT/2000/XP中，如何控制speaker发声？

Q 在NT/2000/XP中，如何直接访问物理端口？

A 看似小小问题，难倒多少好汉！

NT/2000/XP从安全性、可靠性、稳定性上考虑，应用程序和操作系统是分开的，操作系统代码运行在核心态，有权访问系统数据和硬件，能执行特权指令；应用程序运行在用户态，能够使用的接口和访问系统数据的权限都受到严格限制。当用户程序调用系统服务时，处理器捕获该调用，然后把调用的线程切换到核心态。当系统服务完成后，操作系统将线程描述表切换回用户态，调用者继续运行。

想在用户态应用程序中实现I/O读写，直接存取硬件，可以通过编写驱动程序，实现CreateFile、CloseHandle、 DeviceIOControl、ReadFile、WriteFile等功能。从Windows 2000开始，引入WDM核心态驱动程序的概念。

下面是本人写的一个非常简单的驱动程序，可实现字节型端口I/O。

#include <ntddk.h>

#include "MyPort.h"

 

// 设备类型定义

// 0-32767被Microsoft占用，用户自定义可用32768-65535

#define FILE_DEVICE_MYPORT    0x0000f000

 

// I/O控制码定义

// 0-2047被Microsoft占用，用户自定义可用2048-4095

#define MYPORT_IOCTL_BASE 0xf00

 

#define IOCTL_MYPORT_READ_BYTE   CTL_CODE(FILE_DEVICE_MYPORT, MYPORT_IOCTL_BASE, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)

#define IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE  CTL_CODE(FILE_DEVICE_MYPORT, MYPORT_IOCTL_BASE+1, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)

 

// IOPM是65536个端口的位屏蔽矩阵，包含8192字节(8192 x 8 = 65536)

// 0 bit: 允许应用程序访问对应端口

// 1 bit: 禁止应用程序访问对应端口

 

#define IOPM_SIZE    8192

 

typedef UCHAR IOPM[IOPM_SIZE];

 

IOPM *pIOPM = NULL;

 

// 设备名(要求以UNICODE表示)

const WCHAR NameBuffer[] = L"\\Device\\MyPort";

const WCHAR DOSNameBuffer[] = L"\\DosDevices\\MyPort";

 

// 这是两个在ntoskrnl.exe中的未见文档的服务例程

// 没有现成的已经说明它们原型的头文件，我们自己声明

void Ke386SetIoAccessMap(int, IOPM *);

void Ke386IoSetAccessProcess(PEPROCESS, int);

 

// 函数原型预先说明

NTSTATUS MyPortDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp);

void MyPortUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject);

 

// 驱动程序入口，由系统自动调用，就像WIN32应用程序的WinMain

NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath)

{

    PDEVICE_OBJECT deviceObject;

    NTSTATUS status;

    UNICODE_STRING uniNameString, uniDOSString;

 

    // 为IOPM分配内存

    pIOPM = MmAllocateNonCachedMemory(sizeof(IOPM));

    if (pIOPM == 0)

    {

        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;

    }

 

    // IOPM全部初始化为0(允许访问所有端口)

    RtlZeroMemory(pIOPM, sizeof(IOPM));

 

    // 将IOPM加载到当前进程

    Ke386IoSetAccessProcess(PsGetCurrentProcess(), 1);

    Ke386SetIoAccessMap(1, pIOPM);

 

    // 指定驱动名字

    RtlInitUnicodeString(&uniNameString, NameBuffer);

    RtlInitUnicodeString(&uniDOSString, DOSNameBuffer);

 

    // 创建设备

    status = IoCreateDevice(DriverObject, 0,

            &uniNameString,

            FILE_DEVICE_MYPORT,

            0, FALSE, &deviceObject);

 

    if (!NT_SUCCESS(status))

    {

        return status;

    }

 

    // 创建WIN32应用程序需要的符号连接

    status = IoCreateSymbolicLink (&uniDOSString, &uniNameString);

 

    if (!NT_SUCCESS(status))

    {

        return status;

    }

 

    // 指定驱动程序有关操作的模块入口(函数指针)

    // 涉及以下两个模块：MyPortDispatch和MyPortUnload

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]         =

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]          =

    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = MyPortDispatch;

    DriverObject->DriverUnload = MyPortUnload;

 

    return STATUS_SUCCESS;

}

 

// IRP处理模块

NTSTATUS MyPortDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp)

{

    PIO_STACK_LOCATION IrpStack;

    ULONG              dwInputBufferLength;

    ULONG              dwOutputBufferLength;

    ULONG              dwIoControlCode;

    PULONG             pvIOBuffer;

    NTSTATUS           ntStatus;

 

    // 填充几个默认值

    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;    // 返回状态

    Irp->IoStatus.Information = 0;            // 输出长度

 

    IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);

 

    // Get the pointer to the input/output buffer and it's length

 

    // 输入输出共用的缓冲区

    // 因为我们在IOCTL中指定了METHOD_BUFFERED，

    pvIOBuffer = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;

 

    switch (IrpStack->MajorFunction)

    {

        case IRP_MJ_CREATE:        // 与WIN32应用程序中的CreateFile对应

            break;

 

        case IRP_MJ_CLOSE:        // 与WIN32应用程序中的CloseHandle对应

            break;

 

        case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:        // 与WIN32应用程序中的DeviceIoControl对应

            dwIoControlCode = IrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;

            switch (dwIoControlCode)

            {

                // 我们约定，缓冲区共两个DWORD，第一个DWORD为端口，第二个DWORD为数据

                // 一般做法是专门定义一个结构，此处简单化处理了

                case IOCTL_MYPORT_READ_BYTE:        // 从端口读字节

                    pvIOBuffer[1] = _inp(pvIOBuffer[0]);

                    Irp->IoStatus.Information = 8;  // 输出长度为8

                    break;

                case IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE:       // 写字节到端口

                    _outp(pvIOBuffer[0], pvIOBuffer[1]);

                    break;

                default:        // 不支持的IOCTL

                    Irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;

            }

    }

 

    ntStatus = Irp->IoStatus.Status;

 

    IoCompleteRequest (Irp, IO_NO_INCREMENT);

 

    return ntStatus;

}

 

// 删除驱动

void MyPortUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject)

{

    UNICODE_STRING uniDOSString;

 

    if(pIOPM)

    {

        // 释放IOPM占用的空间

        MmFreeNonCachedMemory(pIOPM, sizeof(IOPM));

    }

 

    RtlInitUnicodeString(&uniDOSString, DOSNameBuffer);

 

    // 删除符号连接和设备

    IoDeleteSymbolicLink (&uniDOSString);

    IoDeleteDevice(DriverObject->DeviceObject);

}

下面给出实现设备驱动程序的动态加载的源码。动态加载的好处是，你不用做任何添加新硬件的操作，也不用编辑注册表，更不用重新启动计算机。

// 安装驱动并启动服务

// lpszDriverPath:  驱动程序路径

// lpszServiceName: 服务名

BOOL StartDriver(LPCTSTR lpszDriverPath, LPCTSTR lpszServiceName)

{

    SC_HANDLE hSCManager;        // 服务控制管理器句柄

    SC_HANDLE hService;          // 服务句柄

    DWORD dwLastError;           // 错误码

    BOOL bResult = FALSE;        // 返回值

 

    // 打开服务控制管理器

    hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL, SC_MANAGER_ALL_ACCESS);

 

    if (hSCManager)

    {

        // 创建服务

        hService = CreateService(hSCManager,

                    lpszServiceName,

                    lpszServiceName,

                    SERVICE_ALL_ACCESS,

                    SERVICE_KERNEL_DRIVER,

                    SERVICE_DEMAND_START,

                    SERVICE_ERROR_NORMAL,

                    lpszDriverPath,

                    NULL,

                    NULL,

                    NULL,

                    NULL,

                    NULL);

 

        if (hService == NULL)

        {

            if (::GetLastError() == ERROR_SERVICE_EXISTS)

            {

                hService = ::OpenService(hSCManager, lpszServiceName, SERVICE_ALL_ACCESS);

            }

        }

 

        if (hService)

        {

            // 启动服务

            bResult = StartService(hService, 0, NULL);

 

            // 关闭服务句柄

            CloseServiceHandle(hService);

        }

 

        // 关闭服务控制管理器句柄

        CloseServiceHandle(hSCManager);

    }

 

    return bResult;

}

 

// 停止服务并卸下驱动

// lpszServiceName: 服务名

BOOL StopDriver(LPCTSTR lpszServiceName)

{

    SC_HANDLE hSCManager;        // 服务控制管理器句柄

    SC_HANDLE hService;          // 服务句柄

    BOOL bResult;                // 返回值

    SERVICE_STATUS ServiceStatus;

 

    bResult = FALSE;

 

    // 打开服务控制管理器

    hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL, SC_MANAGER_ALL_ACCESS);

 

    if (hSCManager)

    {

        // 打开服务

        hService = OpenService(hSCManager, lpszServiceName, SERVICE_ALL_ACCESS);

 

        if (hService)

        {

            // 停止服务

            bResult = ControlService(hService, SERVICE_CONTROL_STOP, &ServiceStatus);

 

            // 删除服务

            bResult = bResult && DeleteService(hService);

 

            // 关闭服务句柄

            CloseServiceHandle(hService);

        }

 

        // 关闭服务控制管理器句柄

        CloseServiceHandle(hSCManager);

    }

 

    return bResult;

}

应用程序实现端口I/O的接口如下：

// 全局的设备句柄

HANDLE hMyPort;

 

// 打开设备

// lpszDevicePath: 设备的路径

HANDLE OpenDevice(LPCTSTR lpszDevicePath)

{

    HANDLE hDevice;

 

    // 打开设备

    hDevice = ::CreateFile(lpszDevicePath,    // 设备路径

        GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,        // 读写方式

        FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,  // 共享方式

        NULL,                    // 默认的安全描述符

        OPEN_EXISTING,           // 创建方式

        0,                       // 不需设置文件属性

        NULL);                   // 不需参照模板文件

 

    return hDevice;

}

 

// 打开端口驱动

BOOL OpenMyPort()

{

    BOOL bResult;

 

    // 设备名为"MyPort"，驱动程序位于Windows的"system32\drivers"目录中

    bResult = StartDriver("system32\\drivers\\MyPort.sys", "MyPort");

 

    // 设备路径为"\\.\MyPort"

    if (bResult)

    {

        hMyPort = OpenDevice("\\\\.\\MyPort");

    }

 

    return (bResult && (hMyPort != INVALID_HANDLE_VALUE));

}

 

// 关闭端口驱动

BOOL CloseMyPort()

{

    return (CloseHandle(hMyPort) && StopDriver("MyPort"));

}

 

// 从指定端口读一个字节

// port: 端口

BYTE ReadPortByte(WORD port)

{

    DWORD buf[2];            // 输入输出缓冲区           

    DWORD dwOutBytes;        // IOCTL输出数据长度

 

    buf[0] = port;           // 第一个DWORD是端口

//  buf[1] = 0;              // 第二个DWORD是数据

 

    // 用IOCTL_MYPORT_READ_BYTE读端口

    ::DeviceIoControl(hMyPort,   // 设备句柄

        IOCTL_MYPORT_READ_BYTE,  // 取设备属性信息

        buf, sizeof(buf),        // 输入数据缓冲区

        buf, sizeof(buf),        // 输出数据缓冲区

        &dwOutBytes,             // 输出数据长度

        (LPOVERLAPPED)NULL);     // 用同步I/O   

 

    return (BYTE)buf[1];

}

// 将一个字节写到指定端口

// port: 端口

// data: 字节数据

void WritePortByte(WORD port, BYTE data)

{

    DWORD buf[2];            // 输入输出缓冲区           

    DWORD dwOutBytes;        // IOCTL输出数据长度

 

    buf[0] = port;           // 第一个DWORD是端口

    buf[1] = data;           // 第二个DWORD是数据

 

    // 用IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE写端口

    ::DeviceIoControl(hMyPort,   // 设备句柄

        IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE, // 取设备属性信息

        buf, sizeof(buf),        // 输入数据缓冲区

        buf, sizeof(buf),        // 输出数据缓冲区

        &dwOutBytes,             // 输出数据长度

        (LPOVERLAPPED)NULL);     // 用同步I/O

}

有了ReadPortByte和WritePortByte这两个函数，我们就能很容易地操纵CMOS和speaker了(关于CMOS值的含义以及定时器寄存器定义，请参考相应的硬件资料)：

// 0x70是CMOS索引端口(只写)

// 0x71是CMOS数据端口

BYTE ReadCmos(BYTE index)

{

    BYTE data;

 

    ::WritePortByte(0x70, index);

 

    data = ::ReadPortByte(0x71);

 

    return data;

}

 

// 0x61是speaker控制端口

// 0x43是8253/8254定时器控制端口

// 0x42是8253/8254定时器通道2的端口

void Sound(DWORD freq)

{

    BYTE data;

    if ((freq >= 20) && (freq <= 20000))

    {

        freq = 1193181 / freq;

 

        data = ::ReadPortByte(0x61);

 

        if ((data & 3) == 0)

        {

            ::WritePortByte(0x61, data | 3);

            ::WritePortByte(0x43, 0xb6);

        }

 

        ::WritePortByte(0x42, (BYTE)(freq % 256));

        ::WritePortByte(0x42, (BYTE)(freq / 256));

    }

}

 

void NoSound(void)

{

    BYTE data;

    data = ::ReadPortByte(0x61);

    ::WritePortByte(0x61, data & 0xfc);

}

// 以下读出CMOS 128个字节

    for (int i = 0; i < 128; i++)

    {

        BYTE data = ::ReadCmos(i);

        ... ...

    }

// 以下用C调演奏“多-来-米”

 

    // 1 = 262 Hz

    ::Sound(262);

    ::Sleep(200);

    ::NoSound();

 

    // 2 = 288 Hz

    ::Sound(288);

    ::Sleep(200);

    ::NoSound();

 

    // 3 = 320 Hz

    ::Sound(320);

    ::Sleep(200);

    ::NoSound();

Q 就是个简单的端口I/O，这么麻烦才能实现，搞得俺头脑稀昏，有没有简洁明了的办法啊？

A 上面的例子，之所以从编写驱动程序，到安装驱动，到启动服务，到打开设备，到访问设备，一直到读写端口，这样一路下来，是为了揭示在NT/2000/XP中硬件访问技术的本质。假如将所有过程封装起来，只提供OpenMyPort, CloseMyPort, ReadPortByte, WritePortByte甚至更高层的ReadCmos、WriteCmos、Sound、NoSound给你调用，是不是会感觉清爽许多？

实际上，我们平常做的基于一定硬件的二次开发，一般会先安装驱动程序(DRV)和用户接口的运行库(DLL)，然后在此基础上开发出我们的应用程序(APP)。DRV、DLL、APP三者分别运行在核心态、核心态/用户态联络带、用户态。比如买了一块图象采集卡，要先安装核心驱动，它的“Development Tool Kit”，提供类似于PCV_Initialize, PCV_Capture等的API，就是扮演核心态和用户态联络员的角色。我们根本不需要CreateFile、CloseHandle、 DeviceIOControl、ReadFile、WriteFile等较低层次的直接调用。

Yariv Kaplan写过一个WinIO的例子，能实现对物理端口和内存的访问，提供了DRV、DLL、APP三方面的源码，有兴趣的话可以深入研究一下。