Ch 9. Hardware Initialization

1. Ch 9. Hardware Initialization

2. Contents • Plug and Play Architecture • The Role of the Registry for Legacy Drivers • Detecting Devices with Plug and Play • The Role of Driver Layers in Plug and Play • New WDM IRP Dispatch Functions • Device Enumeration • Device Interface • Summary Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

3. 1. Plug and Play Architecture2. The Role of the Registry for Legacy Driver

4. Goals of Plug and Play • Automatic detection of installed and removed hardware. • Device must allow for software configuration • Automatically load as needed by the OS • Support Hot plugging of device Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

5. Components of Plug and Play Setup & Config Component PnP Mgr Registry & INF Files User Mode Kernel Mode Executive I/O Mgr PnP Mgr Power Mgr NT PnP Drivers WDM Drivers HAL Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

6. The Role of Registry for Legacy Drivers • Techniques used by NT OS & Drivers • Installation program에 의존해서 Driver에서 사용할 자원과 디바이스를 규정 • Driver는 각 Device가 사용할 하드웨어 자원을 리스트로 유지, DriverEntry Routine에서 적절히 할당 및 Device객체 생성 • NT OS는 Preboot과정에서 적당히 Device와 자원을 탐색해서 Booting 시에 Reporting 및 Registry에 저장 • 정규화된 설정처리를 위해 자동 감지 기능 • 초기화 과정에 하드웨어 리스트 감지 및 디바이스 생성 • 수동으로도 동작 가능(드라이버 중심) • 실시간 삽입(Hot Plug in)에 따른 Load(디바이스중심) • 드라이버 환경에서의 호환성 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

7. 3. Detecting Devices with Plug and Play 4. The Role of Driver Layers in Plug and Play

8. Detecting Devices with Plug and Play • DriverEntry는 초기 진입점 이지만, 드라이버 내의 다른 루틴의 주소만 알려주는 역할을 함 -> 나머지는 AddDevice에서 생성 • Funtion Prototype for an AddDevice Routine Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

9. The Role of Driver Layers in Plug and Play • WDM (Windows Driver Model) • Device를 Stack형태로 구현함 • Physical Device Object (PDO) • 버스에 붙은 각각의 하드웨어를 위해 생성 • 저 수준의 디바이스를 제어함 • Function Device Object (FDO) • 논리적이고 추상적인 각각의 기능을 상위 레벨의 소프트웨어에 제공 • Bus FDO • Nonbus FDO • Filter Device Object • FDO 상,하위에서 I/O요청에 수정 이나 보다 향상된 서비스를 제공 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

10. Nunbus FDO Nunbus FDO Nunbus FDO Filter DO Device PDO Device PDO Device PDO FDO … Filter DO … Nunbus FDO PDO Device PDO Device Stack The Role of Driver Layers in Plug and Play Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

11. AddDevice Routine을 호출하는 알고리즘 • System Registry에 있는 모든 버스를 탐색 , 열거 • 버스 드라이버가 load • 버스에 존재하는 디바이스 열거 및 PDO 생성 • 드라이버를 정의한 Registry에서 Filter DO 와 FDO를 위한 Device Class를 찾음 • Filter Driver나 Function Driver가 Load되지 않았으면 Driver를 load하고 DriverEntry호출 • FDO및 다른 디바이스 계층을 위한 AddDevice를 호출 디바이스 스택 구성 (IoCreateDevice , IoAttachDeviceToDeviceStack) Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

12. Device Stack • Funtion Prototype for IoAttachDeviceToDeviceStack • 디바이스 스택의 요소는 각 드라이버의 디바이스 Extension구조체에 연관관계를 유지 or pointer공간을 예약 • 하위 디바이스가 초기화 하는 동안 상위 디바이스 포인터는 하위 디바이스가 알려진 디바이스 타입이어야 안정적인 초기화가 가능함 • 디바이스 스택에서는 어떤 드라이버도 자신의 하위 드라이버보다 우선할 수 없다 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

13. AddDevice NTSTATUS AddDevice ( IN PDRIVER_OBJECT pDriverObject, IN PDEVICE_OBJECT pdo ) { NTSTATUS status; PDEVICE_OBJECT pfdo; PDEVICE_EXTENSIONpDevExt; staticintulDeviceNumber = 0; // 내부 디바이스 이름 초기화 CUStringdevName("\\Device\\MINPNP"); devName += CUString(ulDeviceNumber); // 새로운 디바이스 객체 생성 status = IoCreateDevice( pDriverObject, sizeof(DEVICE_EXTENSION), &(UNICODE_STRING)devName, FILE_DEVICE_UNKNOWN, 0, FALSE, &pfdo ); if (!NT_SUCCESS(status)) returnstatus; // Device Extension 초기화 pDevExt = (PDEVICE_EXTENSION)pfdo->DeviceExtension; pDevExt->pDevice = pfdo; // back pointer pDevExt->DeviceNumber = ulDeviceNumber; pDevExt->ustrDeviceName = devName; pDevExt->pIntObj = NULL; pDevExt->bInterruptExpected = FALSE; pDevExt->state = Stopped; Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

14. AddDevice(Cont.) // 새로 생성한 fdo를 스택 레이어의 맨 위에 쌓는다 (Push) pDevExt->pLowerDevice = // downward pointer IoAttachDeviceToDeviceStack( pfdo, pdo); // 상위 디바이스 객체의 포인터를 초기화 하기 위하여 상위 디바이스의 오프셋을 알아내고 하위// 디바이스 익스텐션의 형변환을 수행 // PLOWER_DEVEXT pLowerDevExt = (PLOWER_DEVEXT) // pDevExt->pLowerDevice->DeviceExtension; // pLowerDevExt->pUpperDevice = pfdo; // Symbolic Link Name의 초기화 및 생성 CUStringsymLinkName("\\??\\MPNP"); symLinkName += CUString(ulDeviceNumber+1); // 1 부터 시작함 pDevExt->ustrSymLinkName = symLinkName; status = IoCreateSymbolicLink( &(UNICODE_STRING)symLinkName, &(UNICODE_STRING)devName ); if (!NT_SUCCESS(status)) { // 생성에 실패하면 디바이스 객체를 삭제 IoDeleteDevice( pfdo ); returnstatus; } // 완료 return STATUS_SUCCESS; } Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

15. 5. The New WDM IRP Dispatch Function

16. Dispatch Function for Plug and Play • 드라이버의 역할 • 디바이스에 요구되는 하드웨어 자원을 예약 , 설정 • 하드웨어를 사용하기 위한 하드웨어 초기화 -> IRP_MJ_PNP가 호출 되었을 때 수행 • PnP Events • 디바이스 초기화 ( insertion ) • 디바이스 셧 다운 ( removal ) • 설정 요청 ( Configuration queries ) -> PnP IRP 코드를 PnP Manager가 드라이버에게 송신 • IRP_MJ_PNP의 단일 dispatch routine을 사용 -> Miner Code를 사용한 루틴을 구성 (IRP_MN_XXX) Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

17. IRP Minor subcode • Major Function Dispatch Routine pDriverObject->MajorFuction[ IRP_MJ_PNP ] = DispPnp; • Minor Function Dispatch Routine NTSTATUS DispPnp ( IN PDEVICE_OBJECT pDO, IN PIRP pIrp ) { // IRP Stack location을 획득 ( Indexing ) PIO_STACK_LOCATION pIrpStack; pIrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation ( pIrp ); switch (pIrpStack->MinorFunction) { caseIRP_MN_START_DEVICE : … caseIRP_MN_STOP_DEVICE : … default : // 지원하지 않는 기능을 하위로 내려보냄 return PassDownPnP( pDO , pIrp ); } // switch 구문 각각의 모든 경우는 호출된 결과로 리턴함 } Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

18. Required Plug and Play IRPs • WDM과 호환되기 위해서 드라이버는 반드시 디바이스의 각 객체 타입에 따라 PnP IRP에 대한 지원을 해야 함 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

19. PDO Plug and Play • 추가적인 상황을 드라이버에서 구현할 수 있도록 핸들링 함 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

20. Prestart device states Device not present Device Physically inserted Device is present Bus driver enumerates Device is enumerated PnP Manager loads driver & invokes DriverEntry Drives loaded & initialized AddDevice() FDO & Filter DOs created & stacked Device Enumerated Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

21. Post-start device states Device not present Stopped state IRP_MN_REMOVE_DEVICE IRP_MN_REMOVE_DEVICE IRP_MN_STOP_DEVICE Remove pending IRP_MN_CANCEL _REMOVE_DEVICE IRP_MN_QUERY _REMOVE_DEVICE Stop pending Surprise removal IRP_MN_QUERY _STOP_DEVICE IRP_MN_CANCEL _STOP_DEVICE IRP_MN_START_DEVICE Device started IRP_MN_SURPRISE_REMOVAL Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

22. Passing Down PnP Requests • PnP Manager는 항상 Device Stack의 최상단에 위치한 디바이스의 드라이버로 PnP요청을 보냄 • 요청의 처리가 될때까지 스택을 따라 내려보냄 • IoCopyCurrentStackLocationToNext 와 IoCallDriver를 호출하여 디바이스 스택을 따라 내려감 • 상위 드라이버에서 하위 드라이버의 처리를 기다릴 필요가 없을 경우 현재 IRP스택 로케이션을 Skip하고 완료 루틴으로 IRP처리의 신뢰성을 보장 NTSTATUS PassDownPnP( IN PDEVICE_OBJECT pDO, IN PIRP pIrp) { IoSkipCurrentIrpStackLocation( pIrp ); PDEVICE_EXTENSION pDevExt = (PDEVICE_EXTENSION) pDO->DeviceExtension; return IoCallDriver(pDevExt-> pLowerDevice, pIrp); } Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

23. I/O Completion Routines • IoSetCompletionRoutine을 사용하여 상위레벨의 드라이버에 등록 • 하위레벨 드라이버에서 완료하면 IoCompleteRequest호출 • 하부에서 상부로 차례로 올라오면서 완료루틴이 호출됨 • Funtion Prototype for IoSetCompletionRoutine Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

24. I/O Completion Routines (cont.) • 가장 하위의 드라이버만 예외 • 완료루틴 (OnIoCompletion) 의 IRQL은 예측 불가능 함 • Funtion Prototype for I/O Completion Routine • PnP 핸들러를 PASSIVE_LEVEL에서 수행시키기 위해 커널 이벤트 객체를 사용함 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

25. Bus Driver Plug and Play Requests • 버스 드라이버에서 지원하는 PnP IRP Minor Code Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

26. 6. Device Enumeration

27. Device Enumeration • PnP 구성 관리자는 시스템 상에 발견된 하드웨어를 열거 • IRP_MN_START_DEVICE 를 통해서 디바이스에 자원을 할당, 제공 받을 수 있음 • 하드웨어 자원의 할당은 버스, 디바이스 하드웨어, PnP Manager, 디바이스 드라이버를 모두 포함하는 동적인 상호 처리 과정 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

28. CM_RESOURCE_LIST Count CM_RESOURCE_DESCRIPTOR LIST[] Interface Type BusNumber PartialResourceList Port CM_PARTIAL_RESOURCE_DESCRIPTOR CM_PARTIAL_RESOURCE_LIST Interrupt Type Version ShareDisposition Revision Memory Flags Count Union u DMA Partial Descriptors[] Hardware Resource Descriptors • IRP_MN_START_DEVICE를 받으면 IRP스택 내의 두개의 필드에 하드웨어 자원을 리스트와 한다 (Parameters.StartDevice.AllocatedResourcesTranslated, Parameters.StartDevice.AllocatedResources) FDO Driver … … … Driver Ext. Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

29. Using Hardware Resources Within the Driver • Raw resource (원본 그대로의 자원) • 버스의 상대적인 주소(port, IRQLs, DMA Channel) • Translate resource와 1:1 대응 관계를 가짐(해석된 자원) • HAL 매크로들은 Translate resource를 인자로 받음 • 자원의 제한 • IRP_MN_FILTER_RESOURCE_REQUIREMENTS 를 호출 • PnP Manager에서 할당 받은 자원 리스트를 수정(삭제)가능 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

30. 7. Device Interface

31. Interface Definition • 구현자와 호출자 간의 함수 호출에 관련된 단순한 명세 혹은 약속 • Plug and Play를 구현하면서 디바이스 드라이버로 하여금 사용자 모드 코드로 인터페이스를 확장 하도록 함 • Interface 의 특징 • 임의로 변경 되어서는 안됨 • 유일한 숫자나 Interface Type(ID)로 식별가능 • 드라이버에서 제공되는 인터페이스는 Application에서도 인식 • 드라이버에서 사용하는 수준과 같은 기능을 보장 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

32. Interface Construction • 적당한 ID가 생성되면, 명세를 위한 함수 포인터를 가지는 구조체로 생성함 • C++에서는 상속기법으로 정의 가능 Typedef VOID (*PINTERFACE_REFERENCE)(PVOID pContext); Typedef VOID (*PINTERFACE_DEREFERENCE)(PVOID pContext); Typedef struct _INTERFACE { USHORT Size; USHORT Version; PVOID Context; PINTERFACE_REFERENCE InterfaceReference; PINTERFACE_DEREFERENCE InterfaceDereference; // 인터페이스 명세 엔트리를 여기에 작성함 } INTERFACE, *PINTERFACE Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

33. Registering and Enabling an Interface • 인터페이스 생성 후 AddDevice내의 IoRegisterDeviceInterface 함수를 통해 Registering • 시스템에 생성된 Symbolic Link Name은 System Registry에 보존됨, Device Extension에도 저장 • Function Prototype for IoRegisterDeviceInterface Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

34. Registering and Enabling an Interface(cont.) • IRP_MV_START_DEVICE의 routine이 호출되면 활성화 시킴 • IoSetDeviceInterfaceState함수로 Enable or Disable • Function Prototype for IoSetDeviceInterfaceState Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

35. Registering and Enabling an Interface(cont.) • IRP_MN_QUERY_INTERFACE를 통해서 kernel Mode로 사용 • Parameters.QueryInterface.Interface field에 호출자에 할당된 구조체 • Interface를 구현한 함수의 pointer or Data는 드라이버가 책임을 지고 유효한 값으로 채움 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴

36. Summary

37. Summary • 레거시 드라이버를 단순한 형태의 WDM드라이버로 변환 Ch 6. 초기화 및 정리 루틴