ISLab Flash Team Ch 4. Drivers and Kernel-Mode Objects

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Ch 4. Drivers and Kernel-Mode Ch 4. Drivers and Kernel-Mode ObjectsObjects

Ch 4. Drivers and Kernel-Mode Objects 2


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ContentsContents

1. Data Objects and Windows 20002. I/O Request Packets (IRPs)3. Objects of Kernel-Mode4. Summary


1. Data Objects and Windows 20001. Data Objects and Windows 2000



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Data Objects and Windows 2000Data Objects and Windows 2000

• Object-Oriented Programming 기반의 Win2K• 객체 (Object) 단위

– 운영체제는 객체 (Object) 단위로 관리– 캡슐화 , 은닉화 , 추상화 , 재사용성 , 신뢰성 , 견고함 제공

User mode

Kernel mode

Object manager

Handle

DeviceObject

DriverObject

ControllerObject

AdapterObject

InterruptObject

…

Figure 1.1 Object-Oriented Programming 기반의 Win2K



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Windows 2000 Objects and Win32 Windows 2000 Objects and Win32 Objects Objects

• User-mode 객체 / 실제 OS 내부 객체– User-mode 객체 : 커널 객체를 Handle 로 간접적으로 참조– Kernel 객체 : External Name 을 가지지 않음 메모리 Pointer 를 직접 이용



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Applications

I/O Manager

Hardware Abstraction Layer

Hardware

User mode

Kernel mode

Win32 API calls

System service interface

HAL calls

Platform-specific operations

Device Driver

Object

Execution

Kernel

Win32 Subsystem

IRP passed to driver dispatch routine

Figure 1.2 Win2K 의 계층적 시스템 구조

Handle

IRPIRP

IRP

IRP

The Layers of Win2K Operating SystemThe Layers of Win2K Operating System

ObjectManager


2. I/O Request Packet (IRPs)2. I/O Request Packet (IRPs)



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I/O Request Packets (IRPs)I/O Request Packets (IRPs)

• Win2K 에서 패킷 구동 방식으로 I/O 요청을 처리• I/O 서브시스템의 설계목표 중 하나• IRP 는 I/O system 이 I/O 요청에서 필요한 정보를

저장하는 장소



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Simplified Model of IRP ProcessingSimplified Model of IRP Processing

User Space

I/O Manager IRP

Driver Routine

Start I/O Entry

Interrupt Service Entry

DPC

DEVICE

Interrupt

Figure 2.1 IRP Processing Simple Model

I/O Request nonpaged 시스템 메모리

디바이스 동작

디바이스 동작 완료

DpcForIsrIRP 최종 상태 저장

Request 완료 후 , IRP 최종 상태 리턴

IRP 할당

IRP 전달



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Layout of an IRPLayout of an IRP

• IRP Header• I/O Stack Locations

IRP

IoStatus

Stack

Header

IO_STATUS_BLOCK

Status

Information

IO_STACK_LOCATION

MajorFunction

MinorFunction

union { struct {…} Read; struct {…} Write; struct {…} DeviceControl} Parameters;

Figure 2.2 Structure of an IRP



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IRP HeaderIRP Header

IRP Header Fields

Field Description

IO_STATUS_BLOCK IoStatus I/O Operation 에 대한 마지막 상태 정보를 가지고 있다 .

PVOID AssociatedIrp.SystemBufferDevice 가 Buffered I/O 를 행할때에 사용되는 Buffer 를

포인팅 하고 있다 .

PMDL MdlAddressDirect I/O 가 행하여 질 때 사용되어지는 User-space 버퍼의 Memory Descriptor List 의 포인터를 가지고 있다 .

PVOID UserBuffer I/O Buffer 의 User-space 주소

BOOLEAN Cancel IRP 가 취소되었음을 알리기 위하여 사용됨

Table 2.1 Externally Visible Fields of an IRP Header

• IRP Header



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I/O Stack Locations(1)I/O Stack Locations(1)

• I/O Stack Locations

IO_STACK_LOCATION, *PIO_STACK_LOCATION

Filed Contents

UCHAR MajorFunction IRP_MJXXX 값이 할당되어 있다 .

UCHAR MinorFunction File System 이나 SCSI 드라이버에 의해서 사용되어진다 .

Union Paramenters MajorFunction Code 에 대한 Union 값들

struct Read

IRP_MJ_READ 에 대한 파라미터• ULONG Length• ULONG Key• LARGE_INTEGER ByteOffset

Table 2.2.1 Selected Contents of IRP Stack Location



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I/O Stack Locations(2)I/O Stack Locations(2)

• I/O Stack Locations

IO_STACK_LOCATION, *PIO_STACK_LOCATION

Filed Contents

struct Write

IRP_MJ_WRITE 에 대한 파라미터• ULONG Length• ULONG Key• LARGE_INTEGER ByteOffset

struct DeviceIOControl

IRP_MJ_DEVICE_CONTROL 대한 파라미터• ULONG OutputBufferLength• ULONG InputBufferLength• ULONG IoControlCode• PVOID Ttpe3InputBuffer

struct Others PVOID Argument1-Argument4

PDEVICE_OBJECT DeviceObject I/O Request 의 타켓 다바이스 객체

PFILE_OBJECT FileOnject 요청을 수행한 File Object

Table 2.2.2 Selected Contents of IRP Stack Location



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Manipulating IRPsManipulating IRPs

• IRPs as a whole• IRP Stack Locations



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IRPs as a wholeIRPs as a whole

IRP Access Functions

Function Description Called by…

IoStartPacket IRP 를 Start I/O routine 으로 보냄 Dispatch

IoCompleteRequest 모든 처리가 끝났음을 나타낼 때 DpcForIsr

IoStartNextPacket 다음 IRP 를 Start I/O routine 으로 보냄 DpcForIsr

IoCallDriver IRP 다른 driver 로 보낼 때 Dispatch

IoAllocateIrp 추가의 IRP 를 요구할 때 Dispatch

IoFreeIrp 드라이버가 할당한 IRP 를 해제할 때 I/O Completion

• IRPs as a whole

Table 2.3 Functions that Work with the Whole IRP



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IRP Stack LocationsIRP Stack Locations

• IRP Stack Locations

IO_STACK_LOCATION Functions


IoGetCurrentIrpStackLocation 호출자의 Stack 슬롯에 대한 포인터를 얻고자

할 때 (Various)

IoMarkIrpPending 호출자의 Stack 슬롯을 더 이상의 처리가 필요한

것으로 기록할 때 Dispatch

IoGetNextIrpStackLocation 다음 하위 드라이버의 Stack 슬롯에 대한

포인터를 얻고자 할 때 Dispatch

IoSetNextIrpStackLocation I/O Stack Pointer 를 한 단계 Push Dispatch

IoSetCompleteRoutine 다음 하위 드라이버의 I/O Stack 슬롯에 I/O 완료

루틴을 추가할 때Dispatch

Table 2.4 IO_STACK_LOCATION Access Functions


3. Objects of Kernel-Mode3. Objects of Kernel-Mode



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Driver ObjectsDriver Objects

• Driver Object : Driver 의 여러 함수들에 대한 포인터를 갖는 목록

• I/O Manager 는 Driver 의 함수들을 찾을 필요가 있을 때 특정 Device 와 관련되는 Driver Object 를 이용한다 .



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The Life of Driver ObjectsThe Life of Driver Objects

DriversDriverObject

DriversDrivers

I/O ManagerCall DriverEntry

Load Create object

DriverObjectI/O Manager

IRPDispatchRoutine DEVICE

동작

Figure 3.1 The life of deriver object

call(*)

Driver Object 의 역할



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Layout of a Driver Object(1)Layout of a Driver Object(1)

Driver Object

DeviceObject

DriverStatIo

DriverUnload

MajorFunction[]

……..

Start I/ORoutine

UnloadRoutine

DispatchRoutine

DispatchRoutine

DeviceObject

DeviceObject

Figure 3.2 The driver object



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Layout of a Driver Object(2)Layout of a Driver Object(2)

Driver Object Fields

Field Description

PDRIVER_STARTIO DriverStartIo Driver 의 Start I/O Routine 에 대한 주소

PDRIVER_UNLOAD DriverUnload Driver’s Unload Routine 에 대한 주소

PDRIVER_DISPATCH MajorFunction[]Driver’s Dispatch Routines 들의 테이블 , I/O 동작

코드에 의해 인덱스됨

PDEVICE_IOBJECT DeviceObject 이 Driver 에 의해 생성된 Device Object 들의

연결 리스트

Table 3.1 Externally Visible Fields of a Driver Object



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Device Objects and Device ExtensionsDevice Objects and Device Extensions

• Device Object : 디바이스의 특성과 상태에 대한 정보를 유지

PhysicalDEVICE

VirtualDEVICE

HAL

Driver ObjectDriver Object

DeviceObject

Figure 4.1 The device object and driver object



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The Life of Device ObjectsThe Life of Device Objects

DeviceObject

I/O ManagerCall DriverEntry

Create object

Figure 4.2 The life of device objects

WDM DriverAddDevice

Plug and Play

DEVICE

DeviceObject

DriverObject

(*) (*)

DEVICE

HAL

I/O Manager

DispatchRoutine

I/O Request Packet

(a)

(b)



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Layout of a Device Object(1)Layout of a Device Object(1)

Device Object

Next Device

Flags

DriverObject

CurrentIrp

DeviceExtension

Device Queue Object

DriverObject

PendingIRP

PendingIRP

CurrentIRP

DeviceExtension

Figure 4.3 The device object



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Layout of a Device Object(2)Layout of a Device Object(2)

Device Object Fields

Field Description

PVOID DeviceExtension Device Extension 구조체에 대한 포인터

PDRIVER_OBJECT DriverObject Driver Object 를 위한 Device Object 의 포인터

ULONG FlagsDevice 의 Buffering Strategy 을 지정DO_BUFFERD_IODO_DIRECT_IO

PDEVICE_OBJECT NextDevice 이 Driver 에 속하는 다음 번 Device 에 대한 포인터

CCHAR StackSize 이 Device 에게 보낼 IRP 를 위해 필요한 I/O Stack

Location 의 최소 개수

ULONG AlignmentRequirement Buffer 를 위해 요구되는 Memory 정렬

Table 4.1 Externally Visible Fields of a Device Object



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Manipulating Device ObjectsManipulating Device Objects

Device Object Access Functions

Function Description Called By…

IoCreateDevice Device Object 를 생성

DriverEntry orAddDevice

IoCreateSymbolicLink Win32 상에서 Device Object 가 보이게 만들 때

IoAttachDevice Device Object 에 필터를 덧붙일 때

IoAttachDeviceByPointer Device Object 에 필터를 덧붙일 때

IoGetDeviceObjectPointer Device Object 의 Pointer 를 얻고자 할 때

IoCallDriver 다른 Driver 로 IRP 요청을 보낼 때 Dispatch

IoDetachDevice 하위 Device 로 부터 Device Object 의 연결을 끊을 때

Unload orRemoveDevice

IoDeleteSymbolicLinkWin32 namespace 상에서 Device Object 를

삭제

IoDeleteDevice 시스템으로부터 Device Object 를 삭제

Table 4.2 Access Functions for a Device Object



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Device ExtensionsDevice Extensions

typedef struct _DEVICE_EXTENSION { PDEVICE_OBJECT DeviceObject; : // other driver-specific declarations :} DEVICE_EXTENSION, *PDEVICE_EXTRENSION;

• Device Object 에 대한 Back Pointer• Device 의 상태나 Driver Context 정보• Interrupt Object 와 Interrupt 예상 플래그에 대한

Pointer• Controller Object 에 대한 포인터• Adapter Object 와 Mapping 레지스터들의 카운터에

대한 Pointer※ Device Extensions 은 Driver 전용이므로 , Extension 의 구조체는 Driver 의 헤더 파일 상에 정의

Table 4.3 Device Extension



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Controller Objects and Controller Controller Objects and Controller ExtensionsExtensions

• Driver 가 하나 이상의 Device 들에 병렬적인 작업 수행에 있어서 공유된 레지스터 공간의 동기화 문제를 해결하기 위한 객체

• Controller Object 는 한번에 하나의 디바이스를 소유하는 Mutex를 유지해야 함 .

Driver Object1Driver Object1

DeviceObject1

ControllerObject

I/O Manager

소유권 요청

Driver Object2Driver Object2

DeviceObject2

Block

Figure 5.1 The outline of controller object



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The Life of Controller ObjectsThe Life of Controller Objects

ControllerObject소유권 요청 Block

DeviceObject

DeviceObject

Device Ext. Device Ext.

DriverEntry(or AddDevice)


Start I/O

ControllerControl

Driver Object Driver Object

DpcForIsr

unload

Figure 5.2 The life of controller objects



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Layout of a Controller ObjectLayout of a Controller Object

DeviceObject

Controller Object

ControllerExtension

ControllerExtension

DeviceExtension

DeviceObject

DeviceExtension

Figure 5.3 The controller object



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Manipulating Controller ObjectsManipulating Controller Objects

Controller Object Access Functions

Function Description Call by…

IoCreateController Controller Object 를 생성 Driver Entry or AddDevice

IoAllocateController Controller 의 독점적 소유권을 요구 Start I/O

IoFreeController Controller 의 소유권을 해제 DpcForIsr

IoDeleteController 시스템으로부터 Controller Object 를 제거 Unload or Remove Device

Table 5.1 Access Functions fro a Controller Object



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Controller ExtensionsController Extensions

typedef struct _CONTROLLER_EXTENSION { // back pointer PCONTROLLER_OBJECT ControllerObject : // other driver-specific declarations :} CONTROLLER_EXTENSION,

*PCONTEROLLER_EXTENSION;

• Interrupt 와 Adapter Object 의 객체에 대한 포인터※ Controller Extensions 은 Driver 전용이므로 , Extension 의 구조체는 Driver 의 헤더 파일 상에 정의

Table 5.2 Controller extension



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Adapter ObjectsAdapter Objects

• I/O Manager 는 Adapter Object 를 이용하여 DMA 하드웨어에 대한 디바이스간의 분쟁을 막는다 .

• 만약 Device 가 Programmed I/O 만을 지원하면 Adapter Object 는 필요 없다 .

• Mapping 레지스터를 관리



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The Life of Adapter ObjectsThe Life of Adapter Objects

DMADEVICE

HAL

DMA Channel

Memory

Adapter Object

I/O Manager


Device orControllerExtension

Address Mapping

Figure 6.1 The life of adapter object



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Layout of an Adapter ObjectLayout of an Adapter Object

DeviceOr

Controller Extension

AdapterPtr

MapRegCount

AdpaterObject

Figure 6.2 The adapter object



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Manipulating Adapter ObjectsManipulating Adapter Objects

Adapter Object Access Functions

Function Description Call by…

IoGetDmaAdapter Adapter Object 에 대한 포인터를 얻을 때 DriverEntry or AddDevice

AllocateAdpaterChannel DMA H/W 의 독점적 소유권을 요구 Start I/O

MapTransfer 데이터 전송을 위한 DMA H/W 를 설정 Adapter Control/DpcForIsr

FlushAdapterBuffers 데이터 일부 전송 이후에 데이터를 비움 DpcForIsr

FreeMapRegisters Map Registers 를 해제 DpcForIsr

FreeAdapterChannel Adapter Object 를 해제 DpcForIsr

Table 6.1 Access Functions fro a Adapter Object



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Interrupt ObjectsInterrupt Objects

• Kernel Interrupt Dispatcher 에게 Interrupt 발생시 정확한 Service Routine 을 찾을 수 있는 방법을 제공

Kernel Interrupt

Dispatcher

Interrupt

InterruptObject

InterruptRoutine

Figure 7.1 The outline of interrupt object



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The Life of Interrupt ObjectsThe Life of Interrupt Objects

Kernel Interrupt

Dispatcher

Interrupt

InterruptObject

InterruptRoutine

DriverEntryor

AddDevice

Unloador

RemoveDevice

Figure 7.2 The life of interrupt object



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Layout of an Interrupt ObjectLayout of an Interrupt Object

DeviceOr

Controller Extension

InterruptPtr

Interrupt Object Interrupt

ServiceRoutine

Figure 7.2 The Interrupt object



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Manipulating Interrupt ObjectsManipulating Interrupt Objects

Interrupt Object Access Functions


HalGetInterruptVector 버스 관련 인터럽트 객체를 시스템 전역값으로

변경 DriverEntry

IoConnectInterruptInterrupt Service Routine 과 Interrupt

Object 를연관지음

DriverEntry or AddDevice

KeSynchronizeExecution 다른 IRQL 에서 실행중인 Driver Routine 을동기화 (Various)

IoDisconnectInterrupt Interrupt Object 를 삭제Unload or

RemoveDevice

Table 7.1 Access Functions fro a Interrupt Object



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종합적인 종합적인 DeviceDevice 의 의 I/O I/O 과정과정

Hardware Device

Hardware Abstraction Layer

DevObject

ControllerObject

AdapterObject

InterruptObject

DevExtension

ControllerExtension

Driver Object

Device Driver

I/O ManagerObject Manager

User-mode

Kernel-mode

Memory

Handle

HAL

I/ORequest

I/O Request Packet(IRPs)

DM

A

Ch

an

nel

Set orPnP

DriverEntry Start I/O

DriverEntryor

AddDevice


4. Summary4. Summary



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SummarySummary

• OOP 기반의 Win2K• Win2K 의 I/O 에서의 Packet(IRPs) 구동 방식• I/O Manager 는 Device 의 대부분의 일이 I/O 인 만큼

중요하다 .• I/O Manager 는 I/O 를 하기 위한 객체를 관리한다 .

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