1.4 Структуры данных, связанные с драйверами устройств Windows

1.4 Структуры данных, связанные с драйверами устройств Windows

Перед подробным рассмотрением драйверов устройств Windows NT стоит разобраться в некоторых важных структурах данных, которые используются этими драйверами. Каждый драйвер Windows, включая драйверы устройств хранения данных, должен взаимодействовать с тремя основными типами объектов: объектами драйверов, объектами устройств и пакетами запроса ввода- вывода (IRP). Эти объекты и рассматриваются в данном разделе.

1.4.1 Объекты драйверов

Объект драйвера создается выполняемым модулем Windows NT при загрузке драйвера. Объект драйвера выделяется из невыгружаемой памяти. Он содержит важную информацию, например таблицу вызовов драйвера, которая, в свою очередь, содержит адреса для различных процедур драйвера. Каждый драйвер, даже если он управляет несколькими устройствами, представлен только одним объектом. Кроме того, когда драйвер обрабатывается несколькими ЦПУ в многопроцессорной системе Windows NT, в памяти присутствует только один объект драйвера. Хотя объект драйвера создается выполняемым модулем Windows NT, обязанность по внесению определенной информации, например адресов процедур в таблицу вызовов драйвера, возлагается на создателя драйвера. Это требование относится только к драйверам, которые экспортируют объект драйвера; таким образом, мини-драйверы, которые зависят от классов или портов объекта драйвера, не обязаны предоставлять описываемую информацию об объекте.

1.4.2 Объекты устройств

Объект устройства представляет собой физическое устройство ввода- вывода (т.е. шинный адаптер, диск или привод на магнитных лентах) или логическое устройство (например, драйвер антивирусного фильтра). Каждое устройство может быть представлено только одним объектом устройства. Объект устройства содержит указатель на объект драйвера, который управляет обработкой устройства. Кроме того, объект устройства описывает физические характеристики устройства, например наибольший объем ввода- вывода данных, выполняемый за одну операцию, или компонент, посредством которого выравнивается буфер, предоставляемый устройству.

Три типа объектов устройства имеют одинаковую структуру, однако различаются расширениями и методами использования. Эти объекты описаны ниже.

Объект физического устройства (physical device object – PDO) представляет собой устройство, подключенное к шине и обычно создается драйвером шины (драйверы шины рассматриваются в разделе 1.7.1). Объект физического устройства должен поддерживать связь с устройством. Такой объект должен хранить статус энергопитания устройства и идентификатор устройства, например идентификатор шины SCSI, целевой идентификатор SCSI и номер логической единицы (LUN) SCSI. Эти термины более подробно рассматриваются в главе 2. На данный момент достаточно сказать, что для уникальной идентификации устройства SCSI необходимо указать три значения: идентификатор шины, целевой идентификатор и идентификатор LUN.

Объект функционального устройства (functional device object – FDO) обычно создается драйвером класса или драйвером порта (драйверы классов и портов рассматриваются в разделах 1.7.2 и 1.7.3). Использование устройства требует наличия объекта функционального устройства. В качестве примера данных, которые содержатся в объекте функционального устройства, можно указать элементы архитектуры диска, например таблицу разделов диска или в контексте привода DVD информацию о регионе DVD.

Рис. 1.3. Архитектура объекта устройства Windows NT

3. Объект фильтра устройства (filter device object – DO) представляет собой устройство для драйвера фильтра.

На рис. 1.3 демонстрируются основные структурные элементы объекта драйвера.

К важным элементам объекта драйвера относится таблица вызовов. В ней определены различные стандартные функции, которые реализуются драйвером устройства. В зависимости от конкретной структуры драйвера, некоторые из этих функций должны быть реализованы в обязательном, а некоторые – в произвольном порядке. На рис. 1.3 показаны только функции Read, Write и DeviceIoControl, однако существует и множество других. Для получения дополнительной информации можно обратиться к инструментарию разработки драйверов Windows.

Устройства, функции которых реализуются с помощью драйвера, описываются посредством объектов устройств (PDO, FDO и DO). Все устройства представлены в связном списке. Заголовок связного списка хранится в объек-

те драйвера, что демонстрируется в нижней левой области рис. 1.3. Обратите внимание, что указатель на объект драйвера в объекте устройства позволяет просмотреть структуру данных, найти объект драйвера и вызвать соответствующую функцию по таблице вызовов.

1.4.3 Пакеты запросов ввода-вывода

Для взаимодействия с драйверами режима ядра многоуровневая операционная система Windows NT использует интерфейсы на основе пакетов данных. Пакеты, которые используются для связи с драйверами, называются пакетами запроса ввода-вывода (I/O request packets – IRP). К драйверу может подключаться другой драйвер или подсистема ввода-вывода.

Пакеты IRP выделяются в невыгружаемой памяти – важнейшем системном ресурсе. Пакеты запроса ввода-вывода выделяются и поддерживаются в очереди, связанной с определенным потоком. Операционная система Windows NT поддерживает готовность к работе некоторого количества пакетов IRP, размещенных в выделенном[3] списке, что позволяет после запроса быстро назначать пакеты драйверу или диспетчеру ввода-вывода.

На рис. 1.4 показано, что пакет запроса ввода-вывода имеет заголовок фиксированного размера и непостоянное количество элементов стека ввода- вывода. Элементы стека ввода-вывода представляют структуры данных для отдельных драйверов, которые будут обрабатывать IRP. Таким образом, каждый драйвер, который обрабатывает пакет запроса ввода-вывода, получает закрытую область данных в стеке пакета. При выделении и отправке пакета драйверу требуется формирование стека достаточного объема для каждого драйвера, который будет обрабатывать пакет. Если драйвер попытается получить доступ к несуществующему элементу стека IRP, это может привести к появлению ошибок в работе системы. Таким образом, пакет запроса ввода- вывода, который может использоваться для одной цепи стека драйвера, не всегда подходит для другой цепи этого стека.

На рис. 1.4 демонстрируется, что заголовок пакета запроса ввода-вывода содержит различные поля данных, перечисленные ниже.

Тип запроса (синхронный или асинхронный).

Тип операции запроса (операция страничного ввода-вывода или операция, выполняемая без промежуточного кэширования).

Указатель на буфер для операции ввода-вывода.

Рис. 1.4. Структура пакета запроса ввода-вывода

Статус блока ввода-вывода, который представляет состояние пакета запроса ввода-вывода. Этот статус меняется при обработке пакета различными драйверами.

Информация, необходимая для обработки отмены IRP в случае отмены операции ввода-вывода, указанной в пакете (например, после достижения тайм-аута или по команде пользователя, который решил, что операция выполняется слишком долго).

Указание области возникновения запроса ввода-вывода (в пользовательском режиме или режиме ядра).

Кроме того, на рис. 1.4 показано, что каждый элемент стека содержит информацию, относящуюся к конкретному драйверу. Ниже приведено несколько примеров информации, которая содержится в элементе стека.

Код основной функции (чтение, запись и операция по управлению устройством).

Код вторичной функции, который уточняет необходимое действие и применяется только вместе с соответствующим кодом основной функции.

Параметры функции, например параметры управления устройством.

Указатель на объект файла.

Структура пакета запроса ввода-вывода содержит элемент, указывающий на текущий элемент» стека пакета. Драйвер отвечает за изменение значения этого элемента перед передачей пакета следующему драйверу в цепочке драйверов. Каждый активный пакет запроса ввода-вывода размещается в очереди, связанной с потоком, который содержит пакеты запроса ввода-вывода, связанные с вводом-выводом, запрошенным этим потоком.

В ответ на полученные пакеты драйвер может создавать вторичные пакеты IRP, которые могут обрабатываться одновременно, имитируя параллельную обработку. Это позволяет ускорить обработку ввода-вывода данных. Конечно, в этом случае существуют определенные ограничения: например, операция записи на ленту не может быть разделена на несколько параллельных операций.