網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序編程要點(diǎn)

編寫 Windows 2000 的任何網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)通常都需要考慮的幾點(diǎn)問題

1 可移植性

2 多處理器支持

3 IRQLs

4 同步和指示

5 包結(jié)構(gòu)

6 使用共享內(nèi)存

7 異步I/O和完成函數(shù)

?

1. 可移植性

NDIS 驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)很容易在支持 Windows 2000 的平臺(tái)間移植。一般說來，從一個(gè)硬件平臺(tái)移植到另一個(gè)平臺(tái)只需要將它在兼容系統(tǒng)的編譯中重新編譯即何。

驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)者應(yīng)當(dāng)避免調(diào)用與操作系統(tǒng)相關(guān)的函數(shù)，因?yàn)檫@將使他們的驅(qū)動(dòng)程序不可移植。應(yīng)用 NDIS 函數(shù)替換這些調(diào)用，只調(diào)用 NDIS 函數(shù)將使代碼在支持 NDIS 的微軟操作系統(tǒng)中可移植， NDIS 為編寫驅(qū)動(dòng)程序提供了很多支持函數(shù)，并且直接調(diào)用操作系統(tǒng)是不需要的。

驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用 C 來編寫。更近一步，驅(qū)動(dòng)程序代碼應(yīng)當(dāng)限制在 ANSI C 標(biāo)準(zhǔn)并且應(yīng)當(dāng)避免使用不被其他兼容系統(tǒng)編譯器支持的語言特性。驅(qū)動(dòng)程序代碼編寫不應(yīng)當(dāng)使用任何 ANSI C 標(biāo)準(zhǔn)指明為“ implementation defined” 的特性來編寫。

驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)當(dāng)避免使用任何在不同平臺(tái)上大小和結(jié)構(gòu)變化的數(shù)據(jù)類型，驅(qū)動(dòng)程序代碼不應(yīng)該調(diào)用任何 C 的運(yùn)行時(shí)庫函數(shù)，而是限于調(diào)用 NDIS 提供的函數(shù)。

在內(nèi)核模式下漂移指針是不允許的。試圖運(yùn)行這樣的操作將是一個(gè)致命的錯(cuò)誤。

如果驅(qū)動(dòng)程序代碼要支持特殊平臺(tái)的特性，那么這些代碼應(yīng)當(dāng)包含在 #ifdef 和 #endif 聲明之間。

2 . 多處理器支持

編寫的代碼應(yīng)當(dāng)可以在多處理器系統(tǒng)中安全運(yùn)行。這對(duì)于編寫可移植的 Windows 2000 驅(qū)動(dòng)程序是很重要的。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序必須使用 NDIS 函數(shù)庫提供的多處理器安全保證。

在單處理器環(huán)境下，在一個(gè)時(shí)刻單處理器只運(yùn)行一條機(jī)器指令，既使這樣，當(dāng)包到達(dá)或時(shí)間中斷發(fā)生時(shí)，對(duì)于NIC或其他設(shè)備執(zhí)行的中斷也可能發(fā)生。典型的，當(dāng)正在操縱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，例如它的隊(duì)列時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序?qū)?span lang="EN-US">NIC發(fā)出停用中斷來操縱數(shù)據(jù)，隨后再發(fā)生可用中斷。許多線程在單處理器環(huán)境下表現(xiàn)的好像是在同一時(shí)刻運(yùn)行的，但是實(shí)際上它們卻是在獨(dú)立的時(shí)間片上運(yùn)行的。

在多處理器環(huán)境下，處理器同時(shí)可運(yùn)行多條機(jī)器指令，一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序必須異步化，這使得當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)正在操縱一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，同樣的在其他處理器運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)不能修改共享的數(shù)據(jù)。在一個(gè)SMP機(jī)器中，所有的驅(qū)動(dòng)程序代碼都要重新裝入，為了消除這種資源保護(hù)問題，Windows 2000驅(qū)動(dòng)程序使用自旋鎖。

3. IRQL

所有 NDIS 調(diào)用的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)都運(yùn)行在系統(tǒng)決定的 IRQL 下， PASSIVE_LEVEL<DLSPATCH_LEVEL<DIRQL 中的一個(gè)。例如，一個(gè)微端口初始化函數(shù)、掛起函數(shù)、重啟函數(shù)和有時(shí)的關(guān)閉函數(shù)通常都運(yùn)行在 PASSIVE_LEVEL 下。中斷代碼運(yùn)行在 DIRQL 下，所以 NDIS 中層或協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序從不運(yùn)行在 DIRQL 下。所有其他的 NDIS 驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)運(yùn)行在 IRQL<=DISPATCH_LEVEL 下。

驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)運(yùn)行于的 IRQL 將影響調(diào)用什么樣的 NDIS 函數(shù)。特定的函數(shù)只可在 IRQL PASSIVE_LEVEL 下調(diào)用，其他的函數(shù)可在 DISPATCH_LEVEL 或更低層調(diào)用。一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的編寫者應(yīng)當(dāng)檢查每一個(gè) NDIS 函數(shù)的 IRQL 限制。

任何與驅(qū)動(dòng)程序的 ISR 共享資源的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)必須能將它的 IRQL 升級(jí)到 DTRQL 來防止?fàn)幱们闆r的發(fā)生， NDIS 提供了這種機(jī)質(zhì)。

4. 同步和指示

當(dāng)兩個(gè)線程共享可被同時(shí)訪問的資源時(shí)，無論是單處理機(jī)還是 SMP ，同步是必須的。例如，對(duì)于一個(gè)單處理機(jī)，如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序正在訪問一個(gè)共享資源時(shí)，被一個(gè)運(yùn)行在更高 IRQL （例如 ISR ）的函數(shù)中斷時(shí)，必須保護(hù)共享資源以阻止這種爭(zhēng)用的發(fā)生而使資源處于不確定狀態(tài)。在一個(gè) SMP 中，兩個(gè)線程可以在同一時(shí)刻運(yùn)行，在不同處理器上并且試圖來修改同一數(shù)據(jù)的訪問必須同步。

NDIS 提供了自旋鎖可以用來對(duì)在同一 IRQL 下運(yùn)行的線程間訪問共享資源實(shí)現(xiàn)同步。當(dāng)兩個(gè)線程在不同 IRQL 下訪問共享資源時(shí)， NDIS 提供了一種機(jī)制來臨時(shí) 提 高低 IRQL 代碼的 IRQL ，以使得訪問共享資源串行化。

??? NDIS提供下面四種機(jī)制來保證同步：

自旋鎖

自旋鎖提供了一個(gè)用來保護(hù)共享資源的同步機(jī)制，這種資源是單處理器或一個(gè)多處理機(jī)下的、運(yùn)行在 IRQL>PASSIVE_LEVEL 下的、內(nèi)核模式中的線程所共享使用的。一個(gè)自旋鎖在同時(shí)運(yùn)行在一個(gè) SMP 機(jī)上不同的執(zhí)行線程之間提供同步。一個(gè)線程在訪問保護(hù)資源前獲得一個(gè)自旋鎖。自旋鎖使得任務(wù)線程中只有持有自旋鎖的線程可使用資源。一個(gè)等待自旋鎖的線程將在試圖獲得鎖時(shí)間內(nèi)循環(huán)，直到持有鎖的線程釋放為止。

??? 自旋鎖還存在著一個(gè)不太明顯但很重要的事實(shí)：你僅能在低于或等于 DISPATCH_LEVEL 級(jí)上請(qǐng)求自旋鎖，在你擁有自旋鎖期間，內(nèi)核將把你的代碼提升到 DISPATCH_LEVEL 級(jí)上運(yùn)行。在內(nèi)部，內(nèi)核能在高于 DISPATCH_LEVEL 的級(jí)上獲取自旋鎖，但你和我都做不到這一點(diǎn)。 當(dāng) KeAcquireSpinLock 獲取自旋鎖時(shí)，它會(huì)把 IRQL 提升到 DISPATCH_LEVEL 級(jí)上。當(dāng) KeReleaseSpinLock 釋放自旋鎖時(shí)，它會(huì)把 IRQL 降低到原來的 IRQL 級(jí)上。如果你知道代碼已經(jīng)處在 DISPATCH_LEVEL 級(jí)上，你可以調(diào)用兩個(gè)專用函數(shù)來獲取自旋鎖。 KeAcquireSpinLockAtDpcLevel 及 KeReleaseSpinLockFromDpcLevel 。一個(gè)編寫很好的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該會(huì)減少自旋鎖持有的時(shí)間。

??? 一個(gè)典型的使用自旋鎖的例子是保護(hù)一個(gè)隊(duì)列。例如，微端口發(fā)送函數(shù)MiniportSend將協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序傳來的包進(jìn)行排隊(duì)。因?yàn)槠渌?qū)動(dòng)程序函數(shù)也使用這個(gè)隊(duì)列，MiniportSend必須用一個(gè)自旋鎖保護(hù)這個(gè)隊(duì)列使得在一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程可操縱這個(gè)隊(duì)列。Miniport Send獲得自旋鎖，添加包到隊(duì)列后釋放自旋鎖。使用自旋鎖保證持鎖線程是唯一修改隊(duì)列的線程，同時(shí)使得包被安全地添加到隊(duì)列中。當(dāng)NIC驅(qū)動(dòng)程序從隊(duì)列中取走包時(shí)，通過同樣的自旋鎖保護(hù)這個(gè)訪問。當(dāng)執(zhí)行指令修改隊(duì)列頭或任何隊(duì)列組成域時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序必須用自旋鎖保護(hù)隊(duì)列。

避免死鎖問題

Windows 2000 并不限制網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序同時(shí)持有多于一個(gè)的自旋鎖。但是，驅(qū)動(dòng)程序的某部分在持有自旋鎖 B 時(shí)，試圖獲得自旋鎖 A ，并且其他部分在持有鎖 A 時(shí)，試圖獲得自旋鎖 B 時(shí)，死鎖就會(huì)發(fā)生。如果要獲得多于一個(gè)的自旋鎖，驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)當(dāng)通過強(qiáng)制以某一順序獲得鎖來避免死鎖，這就是說，如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序強(qiáng)制在獲得自旋鎖 A 之后才可獲得鎖 B ，那么上述情況就不會(huì)發(fā)生。

總得來說，使用自旋鎖將對(duì)系統(tǒng)性能帶來負(fù)面效應(yīng)，所以驅(qū)動(dòng)程序不應(yīng)當(dāng)使用許多鎖。

時(shí)鐘

時(shí)鐘被用來輪詢或進(jìn)行超時(shí)操作的。一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序可以產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘并與一個(gè)函數(shù)關(guān)聯(lián)上。當(dāng)一個(gè)特定周期時(shí)鐘期滿時(shí)，調(diào)用相關(guān)函數(shù)。時(shí)鐘可以是一次的或周期性的，一但設(shè)置了一個(gè)周期時(shí)鐘，當(dāng)每個(gè)周期結(jié)束時(shí)都會(huì)觸發(fā)，直到它被完全清除掉為止。一次性時(shí)鐘在觸發(fā)后必須重新設(shè)置。

時(shí)鐘通過調(diào)用 NdisMInitializeTimer 來產(chǎn)生和初始化，并且通過調(diào)用 NdisMsetTimer 來設(shè)置，也可調(diào)用 NdisMsetPeriodicTimer 設(shè)置周期時(shí)鐘。如果使用了一個(gè)非周期時(shí)鐘，那么通過調(diào)用 NdisMSetPeriodicTimer 重新設(shè)置時(shí)鐘。通過調(diào)用 NdisMCancelTimer 可以清除時(shí)鐘。

事件

事件在兩個(gè)執(zhí)行線程之間實(shí)現(xiàn)同步操作。一個(gè)事件通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序裝入并且通過調(diào)用 NdisInitializeEvent 初始化。一個(gè)運(yùn)行在 IRQL PASSIVE_LEVEL 下的線程調(diào)用 NdisWaitEvent 來將自身轉(zhuǎn)入等侯狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序線程等待一個(gè)事件時(shí)，它指定了最大等待時(shí)間即等待事件的時(shí)間。當(dāng)調(diào)用 NdisSetEvent 使時(shí)間得到信號(hào)量，或最大等待時(shí)間段結(jié)束時(shí)，它們兩個(gè)無論是誰先發(fā)生時(shí)都將結(jié)束線程等待狀態(tài)。

典型的，事件是通過相互協(xié)調(diào)的線程調(diào)用 NdisSetEvent 來設(shè)置的。事件被創(chuàng)建時(shí)是沒有信號(hào)量的，但為了指示等待線程，它必須要設(shè)置信號(hào)量，事件將一直處于保持有信號(hào)狀態(tài)，直到 NdiResetEvent 調(diào)用后為止。

5. 包結(jié)構(gòu)

通過一個(gè)協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序可以分配NDIS包、填充數(shù)據(jù)，并且將它傳遞到下層的NDIS驅(qū)動(dòng)程序，以便將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上。一些最底層的NIC驅(qū)動(dòng)程序分配包用來保存接收到的數(shù)據(jù)，并將包傳遞到對(duì)應(yīng)的高層驅(qū)動(dòng)程序。有時(shí)，一個(gè)協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序分配一個(gè)包，并且通過一個(gè)請(qǐng)求將它傳給NIC驅(qū)動(dòng)程序，以使NIC驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)拷貝到提供的包中。NDIS提供函數(shù)用來分配和操縱構(gòu)成包的子結(jié)構(gòu)。

包描述符 Flags ： physicallPageCount ： ToralLenth ： FirstBuffer ： P …

緩存描述符： StartVirtualAddress ： P ByteOffset ByteCount PhysicalPage ［］ Next P.... ?

緩存 ?

緩存描述符： StartVirtualAddress ： P ByteOffset ByteCount PhysicalPage ［］ Next P.... ?

虛擬內(nèi)存

虛擬頁

虛擬頁

虛擬頁

虛擬頁

虛擬頁

物理內(nèi)存

物理頁

物理頁

物理頁

物理頁

物理頁

圖1：NDIS包結(jié)構(gòu)

具體詳情可以參考：http://www.ndis.com/papers/ndispacket/ndispacket1.htm

6 . 使用共享內(nèi)存

??? 用作總線管理DMA設(shè)備的微端口驅(qū)動(dòng)程序必須為NIC和NIC驅(qū)動(dòng)程序分配共享內(nèi)存。當(dāng)在一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序和它的NIC之間共享cache時(shí)，特別的預(yù)防是必須的。在某種結(jié)構(gòu)下，必須采取特別步驟來保證內(nèi)存一致，因?yàn)?span lang="EN-US">NIC可以直接訪問共享的物理內(nèi)存，而NIC驅(qū)動(dòng)程序卻要通過cache訪問內(nèi)存。這就引起驅(qū)動(dòng)程序和NIC訪問內(nèi)存的不同，即使它們看起來在同一位置。

7. 異步I/O和完成函數(shù)

因?yàn)樵谝恍┚W(wǎng)絡(luò)操作中有繼承的因素，許多由 NIC 驅(qū)動(dòng)程序提供的上層函數(shù)和協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序提供的下層函數(shù)被設(shè)計(jì)成支持異步操作，而不是用 CPU 消耗一定時(shí)間的循環(huán)來等待一個(gè)任務(wù)的完成或硬件事件的指示，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序依賴處理許多異步操作的能力。

通過使用完成函數(shù)來支持異步網(wǎng)絡(luò) I/O 。以下的例子將說明網(wǎng)絡(luò)的 send 操作如何使用一個(gè)完成函數(shù)，同樣的機(jī)制也存在一個(gè)協(xié)議或 NIC 驅(qū)動(dòng)程序的其他操作中。

當(dāng)協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用 NDIS 發(fā)送一個(gè)包時(shí)， NDIS 調(diào)用 NIC 驅(qū)動(dòng)程序的 MiniportSend 函數(shù)發(fā)送請(qǐng)求， NIC 驅(qū)動(dòng)程序試圖立即完成這個(gè)請(qǐng)求并且返回一個(gè)恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)值。對(duì)于 同 步操作，可能返回 NDIS_STATUS_SUCCESS 作為發(fā)送成功的標(biāo)志， NDIS_STATUS_RESOURCES 和 NDIS_STATUS_FAILURE 表明有某些失敗。

但是一個(gè)發(fā)送操作要花費(fèi)一些時(shí)間來完成，此時(shí) NIC 驅(qū)動(dòng)程序 ( 或 NDIS) 可將包排隊(duì)并且等侯 NIC 指示發(fā)送操作的結(jié)果。 NIC 驅(qū)動(dòng)程序的 MiniportSend 函數(shù)可以通過返回一個(gè) NDIS_STATUS_PENDING 的狀態(tài)值來異步處理這個(gè)操作，當(dāng) NIC 驅(qū)動(dòng)程序完成了發(fā)送操作后，包調(diào)用完成函數(shù) NdisMSendComplete 在調(diào)用中傳遞指向一個(gè)已被發(fā)送的包的描述符的指針。這個(gè)信息會(huì)傳給協(xié)議驅(qū)動(dòng)程序，指示完成了操作。

許多需要一定時(shí)間來完成的驅(qū)動(dòng)程序操作用完成數(shù)來完成支持異步的操作。這種函數(shù)有同一形式的名字 NidisMXxxComplete 。不僅可用于發(fā)送和接收函數(shù)，完成函數(shù)也可用于查詢、配置、重新設(shè)置硬件、狀態(tài)指示、指示收到數(shù)據(jù)和傳送收到數(shù)據(jù)。

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