环境下用户态直接读写端口原理浅析

Posted 2020-11-28 a-s-m

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了环境下用户态直接读写端口原理浅析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

抄的：

https://blog.csdn.net/flier_lu/article/details/36426

https://www.oschina.net/question/565065_87379

《Windows驱动开发技术详解》----15.6 端口操作实现方法四　　399页，

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修改TSS中端口访问控制表

NT 环境下，每个进程单独维护了一个 TSS 内存区域，其中由 TSS 内部维护了一个全部标志位置 1 的 IOPM 表，在 TSS 末尾还维护了另外一个实际中承担端口管理工作的 IOPM 表。Ke386SetIoAccessMap 函数(ntoskei386iopm.c:80)和 Ke386QueryIoAccessMap 函数(ntoskei386iopm.c:235)就是系统提供用来读写这两个 IOPM 表的函数。而 Ke386iosetAccessProcess 函数(ntoskei386iopm.c:318)则指定进程到底使用哪个 IOPM 表。

BOOLEAN Ke386QueryIoAccessMap(ULONG MapNumber, PKIO_ACCESS_MAP IoAccessMap); 
BOOLEAN Ke386SetIoAccessMap(ULONG MapNumber, PKIO_ACCESS_MAP IoAccessMap);   
BOOLEAN Ke386IoSetAccessProcess(PKPROCESS Process, ULONG MapNumber);

对前两个函数来说，MapNumber指定要对哪个表进行操作。系统定义了一个 IO_ACCESS_MAP_NONE = 0 常量表示在 TSS 后面那个真实 IOPM 表，而其他的索引对应于 KTSS.IoMaps[] 数组。此数组大多数情况下只有一个表项，也就是说 MapNumber 为 0 时表示 TSS 后面那个 IOPM；为 1 时表示 TSS 内部的 KTSS.IoMaps[0]。 Ke386QueryIoAccessMap 函数只是简单的根据 MapNumber 判断是将 IoAccessMap 内容全部置位(MapNumber = 0)、还是从 TSS 中复制对应的表 (0 < MapNumber <= IOPM_COUNT = 1)。

#include <ntddk.h>
#include "MyPort.h"
  
// 设备类型定义
// 0-32767被Microsoft占用，用户自定义可用32768-65535
#define FILE_DEVICE_MYPORT    0x0000f000
  
// I/O控制码定义
// 0-2047被Microsoft占用，用户自定义可用2048-4095 
#define MYPORT_IOCTL_BASE 0xf00
  
#define IOCTL_MYPORT_READ_BYTE   CTL_CODE(FILE_DEVICE_MYPORT, MYPORT_IOCTL_BASE, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)
#define IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE  CTL_CODE(FILE_DEVICE_MYPORT, MYPORT_IOCTL_BASE+1, METHOD_BUFFERED, FILE_ANY_ACCESS)
  
// IOPM是65536个端口的位屏蔽矩阵，包含8192字节(8192 x 8 = 65536)
// 0 bit: 允许应用程序访问对应端口
// 1 bit: 禁止应用程序访问对应端口
  
#define IOPM_SIZE    8192
  
typedef UCHAR IOPM[IOPM_SIZE];
  
IOPM *pIOPM = NULL;
  
// 设备名(要求以UNICODE表示)
const WCHAR NameBuffer[] = L"//Device//MyPort";
const WCHAR DOSNameBuffer[] = L"//DosDevices//MyPort";
  
// 这是两个在ntoskrnl.exe中的未见文档的服务例程
// 没有现成的已经说明它们原型的头文件，我们自己声明
void Ke386SetIoAccessMap(int, IOPM *);
void Ke386IoSetAccessProcess(PEPROCESS, int);
  
// 函数原型预先说明
NTSTATUS MyPortDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp);
void MyPortUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject);
  
// 驱动程序入口，由系统自动调用，就像WIN32应用程序的WinMain
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
    PDEVICE_OBJECT deviceObject;
    NTSTATUS status;
    UNICODE_STRING uniNameString, uniDOSString;
  
    // 为IOPM分配内存
    pIOPM = MmAllocateNonCachedMemory(sizeof(IOPM));
    if (pIOPM == 0)
    {
        return STATUS_INSUFFICIENT_RESOURCES;
    }
  
    // IOPM全部初始化为0(允许访问所有端口)
    RtlZeroMemory(pIOPM, sizeof(IOPM));
  
    // 将IOPM加载到当前进程
    Ke386IoSetAccessProcess(PsGetCurrentProcess(), 1);
    Ke386SetIoAccessMap(1, pIOPM);
  
    // 指定驱动名字
    RtlInitUnicodeString(&uniNameString, NameBuffer);
    RtlInitUnicodeString(&uniDOSString, DOSNameBuffer);
  
    // 创建设备
    status = IoCreateDevice(DriverObject, 0,
            &uniNameString,
            FILE_DEVICE_MYPORT,
            0, FALSE, &deviceObject);
  
    if (!NT_SUCCESS(status))
    {
        return status;
    }
  
    // 创建WIN32应用程序需要的符号连接
    status = IoCreateSymbolicLink (&uniDOSString, &uniNameString);
  
    if (!NT_SUCCESS(status))
    {
        return status;
    }
  
    // 指定驱动程序有关操作的模块入口(函数指针)
    // 涉及以下两个模块：MyPortDispatch和MyPortUnload
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE]         =
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE]          =
    DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = MyPortDispatch;
    DriverObject->DriverUnload = MyPortUnload;
  
    return STATUS_SUCCESS;
}
  
// IRP处理模块
NTSTATUS MyPortDispatch(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject, IN PIRP Irp)
{
    PIO_STACK_LOCATION IrpStack;
    ULONG              dwInputBufferLength;
    ULONG              dwOutputBufferLength;
    ULONG              dwIoControlCode;
    PULONG             pvIOBuffer;
    NTSTATUS           ntStatus;
  
    // 填充几个默认值
    Irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS;    // 返回状态
    Irp->IoStatus.Information = 0;            // 输出长度
  
    IrpStack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
  
    // Get the pointer to the input/output buffer and it‘s length
  
    // 输入输出共用的缓冲区
    // 因为我们在IOCTL中指定了METHOD_BUFFERED，
    pvIOBuffer = Irp->AssociatedIrp.SystemBuffer;
  
    switch (IrpStack->MajorFunction)
    {
        case IRP_MJ_CREATE:        // 与WIN32应用程序中的CreateFile对应
            break;
  
        case IRP_MJ_CLOSE:        // 与WIN32应用程序中的CloseHandle对应
            break;
  
        case IRP_MJ_DEVICE_CONTROL:        // 与WIN32应用程序中的DeviceIoControl对应
            dwIoControlCode = IrpStack->Parameters.DeviceIoControl.IoControlCode;
            switch (dwIoControlCode)
            {
                // 我们约定，缓冲区共两个DWORD，第一个DWORD为端口，第二个DWORD为数据
                // 一般做法是专门定义一个结构，此处简单化处理了
                case IOCTL_MYPORT_READ_BYTE:        // 从端口读字节
                    pvIOBuffer[1] = _inp(pvIOBuffer[0]);
                    Irp->IoStatus.Information = 8;  // 输出长度为8
                    break;
                case IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE:       // 写字节到端口
                    _outp(pvIOBuffer[0], pvIOBuffer[1]);
                    break;
                default:        // 不支持的IOCTL
                    Irp->IoStatus.Status = STATUS_INVALID_PARAMETER;
            }
    }
  
    ntStatus = Irp->IoStatus.Status;
  
    IoCompleteRequest (Irp, IO_NO_INCREMENT);
  
    return ntStatus;
}
  
// 删除驱动
void MyPortUnload(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject)
{
    UNICODE_STRING uniDOSString;
  
    if(pIOPM)
    {
        // 释放IOPM占用的空间
        MmFreeNonCachedMemory(pIOPM, sizeof(IOPM));
    }
  
    RtlInitUnicodeString(&uniDOSString, DOSNameBuffer);
  
    // 删除符号连接和设备
    IoDeleteSymbolicLink (&uniDOSString);
    IoDeleteDevice(DriverObject->DeviceObject);
}

驱动代码

应用程序实现端口I/O的接口如下：

// 全局的设备句柄
HANDLE hMyPort;
  
// 打开设备
// lpszDevicePath: 设备的路径
HANDLE OpenDevice(LPCTSTR lpszDevicePath)
{
    HANDLE hDevice;
  
    // 打开设备
    hDevice = ::CreateFile(lpszDevicePath,    // 设备路径
        GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,        // 读写方式
        FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,  // 共享方式
        NULL,                    // 默认的安全描述符
        OPEN_EXISTING,           // 创建方式
        0,                       // 不需设置文件属性
        NULL);                   // 不需参照模板文件
  
    return hDevice;
}
  
// 打开端口驱动
BOOL OpenMyPort()
{
    BOOL bResult;
  
    // 设备名为"MyPort"，驱动程序位于Windows的"system32/drivers"目录中
    bResult = StartDriver("system32//drivers//MyPort.sys", "MyPort");
  
    // 设备路径为"//./MyPort"
    if (bResult)
    {
        hMyPort = OpenDevice("////.//MyPort");
    }
  
    return (bResult && (hMyPort != INVALID_HANDLE_VALUE));
}
  
// 关闭端口驱动
BOOL CloseMyPort()
{
    return (CloseHandle(hMyPort) && StopDriver("MyPort"));
}
  
// 从指定端口读一个字节
// port: 端口
BYTE ReadPortByte(WORD port)
{
    DWORD buf[2];            // 输入输出缓冲区            
    DWORD dwOutBytes;        // IOCTL输出数据长度
  
    buf[0] = port;           // 第一个DWORD是端口
//  buf[1] = 0;              // 第二个DWORD是数据
  
    // 用IOCTL_MYPORT_READ_BYTE读端口
    ::DeviceIoControl(hMyPort,   // 设备句柄
        IOCTL_MYPORT_READ_BYTE,  // 取设备属性信息
        buf, sizeof(buf),        // 输入数据缓冲区
        buf, sizeof(buf),        // 输出数据缓冲区
        &dwOutBytes,             // 输出数据长度
        (LPOVERLAPPED)NULL);     // 用同步I/O    
  
    return (BYTE)buf[1];
}
// 将一个字节写到指定端口
// port: 端口
// data: 字节数据
void WritePortByte(WORD port, BYTE data)
{
    DWORD buf[2];            // 输入输出缓冲区            
    DWORD dwOutBytes;        // IOCTL输出数据长度
  
    buf[0] = port;           // 第一个DWORD是端口
    buf[1] = data;           // 第二个DWORD是数据
  
    // 用IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE写端口
    ::DeviceIoControl(hMyPort,   // 设备句柄
        IOCTL_MYPORT_WRITE_BYTE, // 取设备属性信息
        buf, sizeof(buf),        // 输入数据缓冲区
        buf, sizeof(buf),        // 输出数据缓冲区
        &dwOutBytes,             // 输出数据长度
        (LPOVERLAPPED)NULL);     // 用同步I/O
}

用户端实现

有了ReadPortByte和WritePortByte这两个函数，我们就能很容易地操纵CMOS和speaker了(关于CMOS值的含义以及定时器寄存器定义，请参考相应的硬件资料)：

// 0x70是CMOS索引端口(只写)
// 0x71是CMOS数据端口
BYTE ReadCmos(BYTE index)
{
    BYTE data;
  
    ::WritePortByte(0x70, index);
  
    data = ::ReadPortByte(0x71);
  
    return data;
}
  
// 0x61是speaker控制端口
// 0x43是8253/8254定时器控制端口
// 0x42是8253/8254定时器通道2的端口
void Sound(DWORD freq)
{
    BYTE data;
    if ((freq >= 20) && (freq <= 20000))
    {
        freq = 1193181 / freq;
  
        data = ::ReadPortByte(0x61);
  
        if ((data & 3) == 0)
        {
            ::WritePortByte(0x61, data | 3);
            ::WritePortByte(0x43, 0xb6);
        }
  
        ::WritePortByte(0x42, (BYTE)(freq % 256));
        ::WritePortByte(0x42, (BYTE)(freq / 256));
    }
}
  
void NoSound(void)
{
    BYTE data;
    data = ::ReadPortByte(0x61);
    ::WritePortByte(0x61, data & 0xfc);
}

View Code

// 以下读出CMOS 128个字节
    for (int i = 0; i < 128; i++)
    {
        BYTE data = ::ReadCmos(i);
        ... ...
    }

    // 以下用C调演奏“多-来-米”
  
    // 1 = 262 Hz
    ::Sound(262);
    ::Sleep(200);
    ::NoSound();
  
    // 2 = 288 Hz
    ::Sound(288);
    ::Sleep(200);
    ::NoSound();
  
    // 3 = 320 Hz
    ::Sound(320);
    ::Sleep(200);
    ::NoSound();

View Code

下面给出实现设备驱动程序的动态加载的源码。动态加载的好处是，你不用做任何添加新硬件的操作，也不用编辑注册表，更不用重新启动计算机。

// 安装驱动并启动服务
// lpszDriverPath:  驱动程序路径
// lpszServiceName: 服务名 
BOOL StartDriver(LPCTSTR lpszDriverPath, LPCTSTR lpszServiceName)
{
    SC_HANDLE hSCManager;        // 服务控制管理器句柄
    SC_HANDLE hService;          // 服务句柄
    DWORD dwLastError;           // 错误码
    BOOL bResult = FALSE;        // 返回值
  
    // 打开服务控制管理器
    hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL, SC_MANAGER_ALL_ACCESS);
  
    if (hSCManager)
    {
        // 创建服务
        hService = CreateService(hSCManager,
                    lpszServiceName,
                    lpszServiceName,
                    SERVICE_ALL_ACCESS,
                    SERVICE_KERNEL_DRIVER,
                    SERVICE_DEMAND_START,
                    SERVICE_ERROR_NORMAL,
                    lpszDriverPath,
                    NULL,
                    NULL,
                    NULL,
                    NULL,
                    NULL);
  
        if (hService == NULL)
        {
            if (::GetLastError() == ERROR_SERVICE_EXISTS)
            {
                hService = ::OpenService(hSCManager, lpszServiceName, SERVICE_ALL_ACCESS);
            }
        }
  
        if (hService)
        {
            // 启动服务
            bResult = StartService(hService, 0, NULL);
  
            // 关闭服务句柄
            CloseServiceHandle(hService);
        }
  
        // 关闭服务控制管理器句柄
        CloseServiceHandle(hSCManager);
    }
  
    return bResult;
}
  
// 停止服务并卸下驱动
// lpszServiceName: 服务名 
BOOL StopDriver(LPCTSTR lpszServiceName)
{
    SC_HANDLE hSCManager;        // 服务控制管理器句柄
    SC_HANDLE hService;          // 服务句柄
    BOOL bResult;                // 返回值
    SERVICE_STATUS ServiceStatus;
  
    bResult = FALSE;
  
    // 打开服务控制管理器
    hSCManager = OpenSCManager(NULL, NULL, SC_MANAGER_ALL_ACCESS);
  
    if (hSCManager)
    {
        // 打开服务
        hService = OpenService(hSCManager, lpszServiceName, SERVICE_ALL_ACCESS);
  
        if (hService)
        {
            // 停止服务
            bResult = ControlService(hService, SERVICE_CONTROL_STOP, &ServiceStatus);
  
            // 删除服务
            bResult = bResult && DeleteService(hService);
  
            // 关闭服务句柄
            CloseServiceHandle(hService);
        }
  
        // 关闭服务控制管理器句柄
        CloseServiceHandle(hSCManager);
    }
  
    return bResult;
}

驱动加载

以上是关于环境下用户态直接读写端口原理浅析的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Windows内核学习笔记之浅析系统调用

70%读写性能提升！基于UCloud对象存储US3的用户态文件系统设计

用户态与内核态的理解

C# 读写文件从用户态切到内核态，到底是个什么流程？

浅析jQuery基本结构($实现原理)