Het schrijven van een device driver

1
Het schrijven van een device driver
voor Windows 2000
2
Over deze presentatie
Algemeen

• Tijdsduur is ongeveer één uur
• Het leren begrijpen van een device driver is erg
  lastig ?
• let goed op en maak tijdens relevante
  onderwerpen veel aantekeningen
• Vragen kunnen gesteld worden na elk deelonderwerp
  en aan het einde

3
Inhoud
Algemeen

• Introductie (5 min.)
• Algemene toelichting op device drivers (25 min.)
• Hulpmiddelen voor schrijven driver (10 min.)
• Toelichting op PPort voorbeelddriver (15 min.)
• Toelichting op Cypress EZ-USB oplossing (5 min.)
• Slot

4
Introductie
5
Introductie
Introductie

• Wie ben ik
• Waarom deze stage
• Voorkennis
• Werkzaamheden

6
Wie ben ik
Introductie

• Tommy Sools
• Student in derde jaar informatica (blok 11)
• Stagiair bij technische informatica
• Begeleid door Ruud Ermers

7
Waarom deze stage
Introductie

• Hobby elektronica
• Diverse computerinterface projecten die
  natuurlijk een device driver vereisen
• Op zoek naar USB microcontroller oplossing
• Poging tot zelfstandig leren device drivers
• Tenslotte de vraag of er binnen Fontys een module
  bestaat over device drivers

8
Voorkennis
Introductie

• C binnen informaticamodulen (Visual Studio)
• Programmeren in C
• Low Level Programming
• Interprocescommunicatie
• Events Exceptions
• Geheugentechnieken en beheer
• Gedurende twee kwartalen begeleiden practica C
  Programmeren (Borland C Builder)

9
Voorkennis (2)
Introductie

• Veel hobbyprojecten met Borland Delphi
• www.sools.com
• Programmeren aan administratiepakket Order-Direct
  tijdens eerste stage
• Hobbyprojecten met 8051 en AVR microcontrollers,
  vooral in assembler taal

10
Werkzaamheden
Introductie

• Tweede stage, twintig weken,
• momenteel zesde week
• Onderzoek doen naar de werking van device drivers
• Ter oefening een aantal drivers schrijven
• Practicumhandleiding schrijven over device
  drivers voor Windows 2000

11
Einde introductie
Introductie

• Interesse vanuit hobby
• Ruim voldoende voorkennis en ervaring
• Stage duurt 20 weken
• Doel is practicumhandleiding schrijven over
  Windows 2000 driverontwikkeling

12
Vragen

• Er kunnen nu vragen over de introductie gesteld
  worden.

13
Hulpmiddelen
14
Hulpmiddelen
Hulpmiddelen

• Computersystemen
• Microsoft Visual Studio 6.0
• Microsoft Windows 2000 DDK (SP1)
• DebugView
• LoadDrv
• Talloze andere optionele hulpprogrammas

15
Computersystemen
Hulpmiddelen

• PC voor ontwikkeling
• PC voor testen

16
Ontwikkelsysteem
Hulpmiddelen

• Besturingssysteem is niet relevant,
• bijv. Windows 2000 of XP
• Driver nooit testen op ontwikkelsysteem

17
Testsysteem
Hulpmiddelen

• Windows 2000 Professional,
• met alle service packs en updates
• Zorgen voor een herstelmogelijkheid,
• bijv. Norton Ghost

18
Microsoft Visual Studio 6.0
Hulpmiddelen

• Sjabloon DDAppWiz.awx installeren
• Als projectinstellingen goed zijn ?
• compileren via Tools?Build
• Resultaat is .sys bestand
• Checked Build tegenover Free Build
• Aan te passen via DBG define
• Ook van toepassing op Windows zelf

19
Microsoft Visual Studio 6.0 (2)
Hulpmiddelen
20
DebugView
Hulpmiddelen

• Toont berichten die Checked Build van driver
  genereert met DbgPrint
• DebugView geeft geen informatie weer gegenereerd
  vanuit ISRs

21
(No Transcript)
22
DebugView (2)
Hulpmiddelen

• Werkt ook na bugcheck schermen
• Startup Recovery instellingen goedzetten
• Zorgen dat DebugView draait tijdens crash
• Binnen DebugView kiezen voor
• File?Process Crash Dump en
• memory.dmp in Windows map selecteren

23
DebugView (3)
Hulpmiddelen
24
LoadDrv
Hulpmiddelen

• Installatie, starten, stoppen van een driver

25
Einde hulpmiddelen
Hulpmiddelen

• Twee computersystemen
• Verschillende software benodigd

26
Vragen

• Er kunnen nu vragen over hulpmiddelen bij het
  schrijven van device drivers gesteld worden.

27
Device drivers
28
Device Drivers
Device drivers

• Waarom een device driver
• Aanroepen van een driver
• Opbouw van een driver
• Interrupt Request Levels (IRQLs)
• Interrupt Service Routines (ISRs) en
• Deferred Procedure Calls (DPCs)

29
Waarom een device driver
Device drivers

• Vereist door ontwerp van Windows voor
• stabiliteit
• beveiliging
• Applicatie hoeft minder intelligent te zijn
• er is minder dubbele code
• Apparaat kan gedeeld worden met meerdere
  applicaties

30
Aanroepen van een driver
Device drivers

• Keuze voor Borland C Builder
• De meeste drivers kunnen benaderd worden alsof
  het bestanden zijn, dus met de volgende Win32 API
  functies
• CreateFile
• WriteFile
• ReadFile
• CloseFile

31
Aanroepen van een driver (2)
Device drivers

• Daarnaast kan met sommige drivers de volgende
  functie gebruikt worden
• DeviceIoControl
• Invoer aan de functie is
• IOCTL code die het soort verzoek aangeeft
• Gegenereerd door CTL_CODE macro uit winioctl.h
• Invoer- en uitvoerbuffer

32
Aanroepen van een driver (3)
Device drivers

• Vanwege ingewikkeldheid van aanroepen worden deze
  in een aparte unit of vaak in een DLL geplaatst

33
Opbouw van een driver
Device drivers

• Plaats binnen Windows
• DriverEntry routine
• DriverUnload routine
• I/O Request Packet (IRP)
• Dispatch routines
• Voorbeelden IRPs

34
Plaats binnen Windows
Device drivers
Hardware
IoXxx functie-aanroepen
HAL macros
Applicatie
Win32 API
I/O Manager
Device Driver
ongemerkt
API functie aanroep
dispatch routine
35
DriverEntry routine
Device drivers

• Ontvangt pointer naar Driver Object
• Wordt aangeroepen wanneer de driver door Windows
  geladen wordt
• Initialiseert pointers naar andere routines,
  zoals DriverUnload, AddDevice en StartIo
• Initialiseert MajorFunction array die pointers
  bevat naar elke dispatch functie

36
DriverEntry (2)
Device drivers

• Creëert Device Object voor elk apparaat
• Device Object heeft gebruikergedefinieerde Device
  Extensie voor opslag van variabelen in
  niet-gepagineerd geheugen
• Creëert voor elk device eventueel een symbolic
  link
• de naam die een applicatie kan gebruiken met
  CreateFile

37
DriverUnload routine
Device drivers

• Wordt alleen aangeroepen als de driver uit het
  geheugen wordt geladen voordat het afsluiten van
  Windows in gang is gezet
• Als deze routine ontbreekt blijft de driver in
  het geheugen totdat Windows wordt afgesloten
• Als er iets speciaals moet gebeuren als Windows
  wordt afgesloten moet IRP_MJ_SHUTDOWN worden
  afgehandeld

38
I/O Request Packet (IRP)
Device drivers

• Meestal aangemaakt door I/O Manager als gevolg
  van Win32 API aanroep
• Verplaatst zich vanaf de I/O Manager door de
  driver

39
Dispatch routines
Device drivers

• Worden aangeroepen door de I/O manager door de
  MajorCode uit de IRP als index te gebruiken voor
  de MajorFunction array van de driver
• Handelen codes zoals IRP_MJ_CREATE, IRP_MJ_WRITE
  en dergelijke af, die vaak samenhangen met een
  bepaalde Win32 API aanroep

40
Dispatch routines (2)
Device drivers

• Completeren IRP door aanroep van
  IoCompleteRequest of IRP in StartIo wachtrij
  zetten door aanroep van IoMarkIrpPending

41
Voorbeelden IRPs
Device drivers

• IRP_MJ_CREATE
• Wordt verzonden als CreateFile wordt aangeroepen
• IRP_MJ_CLOSE
• Wordt verzonden als CloseFile wordt aangeroepen

42
Voorbeelden IRPs (2)
Device drivers

• IRP_MJ_WRITE
• Wordt verzonden als een applicatie WriteFile
  aanroept
• Kopieert of gebruikt buffer van gebruiker

43
Voorbeelden IRPs (3)
Device drivers

• IRP_MJ_READ
• Wordt verzonden als een applicatie ReadFile
  aanroept
• Kopieert naar of schrijft in buffer van gebruiker

44
Voorbeelden IRPs (4)
Device drivers

• IRP_MJ_DEVICE_CONTROL
• Wordt verzonden als een applicatie
  DeviceIoControl aanroept
• Bevat meestal één groot case statement die de
  verschillende IOCTL codes afhandelt

45
Einde opbouw van een driver
Device drivers

• Driver bevindt zich tussen I/O Manager en
  hardware
• DriverEntry routine is beginpunt
• DriverUnload routine is optioneel
• I/O Request Packets (IRPs) verplaatsen zich door
  de driver
• Dispatch routines worden gebruikt om IRPs af te
  handelen
• Verschillende soorten IRPs

46
Interrupt Request Levels (IRQL)
Device drivers

• Delen van een driver worden vanuit verschillende
  contexten aangeroepen
• Afhankelijk van deze context verschilt het IRQL
  nummer
• Hoe hoger het IRQL, hoe beperkter een driver is
  in zijn aanroepen
• Code binnen een hoger IRQL kan niet onderbroken
  worden door code met een lager of gelijk IRQL

47
IRQL (2)
Device drivers

• Voorbeelden van IRQLs (hoog naar laag)
• DIRQL hardware IRQLs
• Van toepassing binnen een ISR voor hardware
• Niet alloceren van niet-gepagineerd geheugen
• DISPATCH_IRQL
• Van toepassing binnen een DPC routine
• Alleen alloceren van niet-gepagineerd geheugen
• APC_IRQL
• PASSIVE_IRQL
• Van toepassing binnen dispatch routines
• Alloceren van gepagineerd geheugen

48
ISRs en DPCs
Device drivers

• Interrupt Service Routine (ISR) wordt aangeroepen
  wanneer er een hardware interrupt optreedt
• IRQL een DIRQL
• ISR plant Deferred Procedure Call (DPC)
• Windows voert DPCs uit zodra het IRQL daalt tot
  DISPATCH_LEVEL
• DPC regelt tijdsintensieve zaken of zaken die
  alleen op een lager IRQL mogelijk zijn

49
Einde device drivers
Device drivers

• Nut device driver
• Aanroepen van een driver
• Opbouw driver
• IRQLs
• ISRs en DPCs

50
Vragen

• Er kunnen nu vragen over device drivers gesteld
  worden.

51
PPort voorbeelddriver
52
Pport driver
PPort driver

• StartIo principe
• Terugloopplug
• Werking
• Probleem
• Oplossingen

53
StartIo principe
PPort driver

• StartIo principe
• Dispatch routine roept IomarkIrpPending aan om
  IRP in wachtrij te plaatsen
• IoStartPacket haalt IRP uit wachtrij en roept de
  StartIo routine aan, die verwerking uitvoert
  afhankelijk van de MajorCode
• StartIo routine roept IoStartNextPacket aan zodat
  volgende IRP uit wachtrij verwerkt kan worden

54
StartIo principe (2)
PPort driver

• StartIo routine zorgt voor serialisatie
• StartIo routine verzorgt de eigenlijke I/O met de
  hardware
• Hoeft niet verplicht gebruikt te worden

55
Terugloopplug
PPort driver

• Als hardware wordt er een terugloopplug op de
  parallelle poort gebruikt
• Genereren van interrupt mogelijk via Reset
  uitgang (gekoppeld aan Ack ingang)

56
Werking
PPort driver

• StartIo ontvangt IRP
• StartIo roept TransmitByte aan
• TransmitByte genereert interrupt
• ISR roept TransmitByte aan
• Als bytes op zijn dan plant de ISR een DPC in,
  die de IRP completeert
• DPC completeert IRP

57
Probleem
PPort driver

• Bugcheck scherm
• MULTIPLE_IRP_COMPLETE_REQUEST
• Oorzaak
• DPC wordt dubbel uitgevoerd,
• dus ook de ISR wordt dubbel uitgevoerd

58
Oplossingen
PPort driver

• Oplossing 1
• Binnen ISR regel verwijderen
• WriteControl(pDevExt, CTL_DEFAULT)
• Zorgt ervoor dat het Interrupt Enabled bit wordt
  uitgeschakeld
• Veroorzaakt bugcheck scherm bij afsluiten van
  Windows
• DRIVER_IRQL_NOT_LESS_OR_EQUAL

59
Oplossingen (2)
PPort driver

• Oplossing 2
• Bijhouden of de DPC al is uitgevoerd nadat een
  interrupt is gegenereerd
• Werkt alleen goed als de interrupt door jezelf
  gegenereerd wordt
• acceptabel voor deze driver maar onmogelijk
  binnen de meeste drivers

60
Einde PPort driver
PPort driver

• StartIo principe
• Terugloopplug
• StartIo, ISR en DPC implementatie
• Probleem
• Voorlopige oplossing

61
Vragen

• Er kunnen nu vragen over de PPort driver gesteld
  worden.

62
EZ-USB oplossing
63
EZ-USB oplossing
EZ-USB oplossing

• Cypress EZ-USB chip
• Cypress EZ-USB toolkit
• USB MP3 device
• USB experimenteerbord

64
EZ-USB chip
EZ-USB oplossing

• Cypress AN2131
• Snelheid effectief 6 MHz
• (24 MHz 4 klokpulsen)
• 8 kilobyte intern RAM
• Dataoverdracht van MCU naar USB module via RAM
  geheugen

65
Cypress EZ-USB toolkit
EZ-USB oplossing

• Firmware voor Keil C51
• Keil uVision 2 benodigd
• Broncode van een universele driver
• Veel documentatie

66
USB MP3 Device
EZ-USB oplossing

• Rob Looijmans
• Jan Blanken
• Ron van Balen
• Gerard Akse

67
USB MP3 Device (2)
EZ-USB oplossing

• Twee stereo MP3 naar analoog decoders
• verbonden via SPI bus via UART met EZ-USB
  processor
• Functioneert als terugloopapparaat en genereert
  een test sinustoon via een speciaal commando
• Functioneert in de toekomst als USB geluidskaart

68
USB experimenteerbord
EZ-USB oplossing

• 32 kilobyte extra RAM geheugen
• EEPROM via I2C bus
• 8 LEDs
• 4 drukknoppen, optioneel als interrupts
• 2 RS232 poorten
• LCD aansluiting
• Standaardheaders voor uitbreidingen voor
  printplaat Peter Klijn

69
USB experimenteerbord (2)
EZ-USB oplossing

• Hardware gereed voor 18 april a.s.
• Als voorbeeld wordt een aangepaste driver
  geschreven
• Geschikt als voorbeeldhardware bij het schrijven
  van een eigen driver
• Geschikt om te leren werken met een 8051 processor

70
Einde EZ-USB oplossing
EZ-USB oplossing

• Handige toolkit, inclusief alle benodigde
  broncode en documentatie
• Tenminste twee projecten maken op dit moment
  gebruik van de EZ-USB chip
• Het toekomstgerichte experimenteerbord zorgt dat
  Cypress EZ-USB voorlopig de standaard is binnen
  Fontys

71
Vragen

• Er kunnen nu vragen over de EZ-USB oplossing
  gesteld worden.

72
Slot
73
Verdere stage
Slot

• Stage duurt nog circa 14 weken
• Vrijwel elke dag tot aan de zomervakantie
  beschikbaar voor vragen over device drivers in
  lokaal 0.153

74
Slot
Slot

• Hulpmiddelen
• Device drivers
• Pport driver
• EZ-USB oplossing

75
Vragen

• Algemene vragen over deze presentatie kunnen nu
  gesteld worden.

76
Einde

• Deze PowerPoint presentatie is desgewenst te
  downloaden vanaf
• stage.sools.com