实战DeviceIoControl之六：访问物理端口

核心提示：Q 在NT/2000/XP中，如何读取CMOS数据？Q 在NT/2000/XP中，实战DeviceIoControl之六：访问物理端口，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，缓冲区共两个DWORD，第一个DWORD为端口，难倒多少好汉！NT/2000/XP从安

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);
}