網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序編程要點(diǎn)

編寫Windows 2000的任何網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序時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)動程序應(yīng)很容易在支持Windows 2000的平臺間移植。一般說來，從一個硬件平臺移植到另一個平臺只需要將它在兼容系統(tǒng)的編譯中重新編譯即何。

驅(qū)動程序開發(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)動程序應(yīng)用C來編寫。更近一步，驅(qū)動程序代碼應(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)動程序應(yīng)當(dāng)避免使用任何在不同平臺上大小和結(jié)構(gòu)變化的數(shù)據(jù)類型，驅(qū)動程序代碼不應(yīng)該調(diào)用任何C的運(yùn)行時庫函數(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致命的錯誤。

如果驅(qū)動程序代碼要支持特殊平臺的特性，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。這對于編寫可移植的Windows 2000驅(qū)動程序是很重要的。一個網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序必須使用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，在一個時刻單處理器只運(yùn)行一條機(jī)器指令，既使這樣，當(dāng)包到達(dá)或時間中斷發(fā)生時，對于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，例如它的隊列時，驅(qū)動程序?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)的好像是在同一時刻運(yùn)行的，但是實(shí)際上它們卻是在獨(dú)立的時間片上運(yùn)行的。

在多處理器環(huán)境下，處理器同時可運(yùn)行多條機(jī)器指令，一個驅(qū)動程序必須異步化，這使得當(dāng)一個驅(qū)動程序函數(shù)正在操縱一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，同樣的在其他處理器運(yùn)行的驅(qū)動程序函數(shù)不能修改共享的數(shù)據(jù)。在一個SMP機(jī)器中，所有的驅(qū)動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)動程序使用自旋鎖。

3. IRQL

所有NDIS調(diào)用的驅(qū)動程序函數(shù)都運(yùn)行在系統(tǒng)決定的IRQL下， PASSIVE_LEVEL<DLSPATCH_LEVEL<DIRQL中的一個。例如，一個微端口初始化函數(shù)、掛起函數(shù)、重啟函數(shù)和有時的關(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)動程序從不運(yùn)行在DIRQL下。所有其他的NDIS驅(qū)動程序函數(shù)運(yùn)行在IRQL<=DISPATCH_LEVEL下。

驅(qū)動程序函數(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。一個驅(qū)動程序的編寫者應(yīng)當(dāng)檢查每一個NDIS函數(shù)的IRQL限制。

任何與驅(qū)動程序的ISR共享資源的驅(qū)動程序函數(shù)必須能將它的IRQL升級到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)兩個線程共享可被同時訪問的資源時，無論是單處理機(jī)還是SMP，同步是必須的。例如，對于一個單處理機(jī)，如果一個驅(qū)動程序正在訪問一個共享資源時，被一個運(yùn)行在更高IRQL（例如ISR）的函數(shù)中斷時，必須保護(hù)共享資源以阻止這種爭用的發(fā)生而使資源處于不確定狀態(tài)。在一個SMP中，兩個線程可以在同一時刻運(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)兩個線程在不同IRQL下訪問共享資源時，NDIS提供了一種機(jī)制來臨時提高低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。一個自旋鎖在同時運(yùn)行在一個SMP機(jī)上不同的執(zhí)行線程之間提供同步。一個線程在訪問保護(hù)資源前獲得一個自旋鎖。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。一個等待自旋鎖的線程將在試圖獲得鎖時間內(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不太明顯但很重要的事實(shí)：你僅能在低于或等于DISPATCH_LEVEL級上請求自旋鎖，在你擁有自旋鎖期間，內(nèi)核將把你的代碼提升到DISPATCH_LEVEL級上運(yùn)行。在內(nèi)部，內(nèi)核能在高于DISPATCH_LEVEL的級上獲取自旋鎖，但你和我都做不到這一點(diǎn)。當(dāng)KeAcquireSpinLock獲取自旋鎖時，它會把IRQL提升到DISPATCH_LEVEL級上。當(dāng)KeReleaseSpinLock釋放自旋鎖時，它會把IRQL降低到原來的IRQL級上。如果你知道代碼已經(jīng)處在DISPATCH_LEVEL級上，你可以調(diào)用兩個專用函數(shù)來獲取自旋鎖。KeAcquireSpinLockAtDpcLevel及 KeReleaseSpinLockFromDpcLevel。一個編寫很好的網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序應(yīng)該會減少自旋鎖持有的時間。

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

避免死鎖問題

Windows 2000并不限制網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序同時持有多于一個的自旋鎖。但是，驅(qū)動程序的某部分在持有自旋鎖B時，試圖獲得自旋鎖A，并且其他部分在持有鎖A時，試圖獲得自旋鎖B時，死鎖就會發(fā)生。如果要獲得多于一個的自旋鎖，驅(qū)動程序應(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，如果一個驅(qū)動程序強(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發(fā)生。

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

時鐘

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

時鐘通過調(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)置周期時鐘。如果使用了一個非周期時鐘，那么通過調(diào)用NdisMSetPeriodicTimer重新設(shè)置時鐘。通過調(diào)用NdisMCancelTimer可以清除時鐘。

事件

事件在兩個執(zhí)行線程之間實(shí)現(xiàn)同步操作。一個事件通過一個驅(qū)動程序裝入并且通過調(diào)用NdisInitializeEvent初始化。一個運(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)一個驅(qū)動程序線程等待一個事件時，它指定了最大等待時間即等待事件的時間。當(dāng)調(diào)用NdisSetEvent使時間得到信號量，或最大等待時間段結(jié)束時，它們兩個無論是誰先發(fā)生時都將結(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)建時是沒有信號量的，但為了指示等待線程，它必須要設(shè)置信號量，事件將一直處于保持有信號狀態(tài)，直到NdiResetEvent調(diào)用后為止。

5. 包結(jié)構(gòu)

通過一個協(xié)議驅(qū)動程序可以分配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)動程序分配包用來保存接收到的數(shù)據(jù)，并將包傳遞到對應(yīng)的高層驅(qū)動程序。有時，一個協(xié)議驅(qū)動程序分配一個包，并且通過一個請求將它傳給NIC驅(qū)動程序，以使NIC驅(qū)動程序?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)動程序必須為NIC和NIC驅(qū)動程序分配共享內(nèi)存。當(dāng)在一個驅(qū)動程序和它的NIC之間共享cache時，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)動程序卻要通過cache訪問內(nèi)存。這就引起驅(qū)動程序和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)動程序提供的上層函數(shù)和協(xié)議驅(qū)動程序提供的下層函數(shù)被設(shè)計成支持異步操作，而不是用CPU消耗一定時間的循環(huán)來等待一個任務(wù)的完成或硬件事件的指示，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動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操作如何使用一個完成函數(shù)，同樣的機(jī)制也存在一個協(xié)議或NIC驅(qū)動程序的其他操作中。

當(dāng)協(xié)議驅(qū)動程序調(diào)用NDIS發(fā)送一個包時，NDIS調(diào)用NIC驅(qū)動程序的MiniportSend函數(shù)發(fā)送請求，NIC驅(qū)動程序試圖立即完成這個請求并且返回一個恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)值。對于同步操作，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。

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

許多需要一定時間來完成的驅(qū)動程序操作用完成數(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)。