文章目录

虚拟HID设备
- 1. HID架构
- 2. HID接口函数
- - 2.1 Device Discovery and Setup
  - 2.2 Data Movement
  - 2.3 Report Creation and Interpretation
- 3. 虚拟设备
- - 3.1 HidRegisterMinidriver
  - 3.2 IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL
  - 3.3 效果

虚拟HID设备

对于HID设备的虚拟化，主要包括：

虚拟化鼠标。
虚拟化键盘。
虚拟化触摸板（手写笔）。

本文我们来探讨上述HID设备虚拟化的基本实现原理（关于HID设备的虚拟化，需要了解HID描述符相关基础知识，可以参见另外一篇文章：关于HID描述符）。

1. HID架构

在Windows下面HID的基本架构如下：

HID Clients包括有驱动，服务以及应用程序，他们都和HIDClass.sys进行通信；通常来说每一次通信的对象都是一个指定的设备（例如键盘，鼠标等）。通常通过hardware ID或者HID Collection来标识一个设备，通过通信遵循如下规则：

用户模式驱动或者应用程序通过HIDClass提供的HidD_xxx来获取HID Collection。
内核驱动或者用户驱动以及应用程序通过HID分析支持程序HidP_xxx，内核驱动程序使用HID 类驱动的IOCTL来处理HID报表。

Mode	Drivers	Applications
User Mode	`HidD_Xxx`	`HidP_Xxx`
Kernel Mode	`HidD_Xxx` `IOCTL_HID_xxx`	N/A

HID Transport是具体的硬件设备，我们HID Transport向上提供硬件相关信息，HID Client从来不主动和HID Transport直接通信，都是通过HIDClass.sys来进行中转的，这样给我们HID Client和HID Transport的开发都带来了非常大的便利；这也是Windows MiniPort驱动实现的基本框架。

对于HID的设备的虚拟，我们主要是需要实现HID Transport。

2. HID接口函数

Windows提供了如下的HID函数接口来或者和操作HID设备：

Device Discovery and Setup。
Data Movement。
Report Creation and Interpretation。

2.1 Device Discovery and Setup

API	描述
HidD_GetAttributes	请求获得HID设备的厂商ID、产品ID和版本号
HidD_GetHidGuid	请求获得HID设备的GUID
HidD_GetIndexString	请求获得由索引识别的字符串
HidD_GetManufactureString	请求获得设备制造商字符串
HidD_GetPhysicalDescriptor	请求获得设备实体字符串
HidD_GetPreparsedData	请求获得与设备能力信息相关的缓冲区的代号
HidD_GetProductString	请求获得产品字符串
HidD_GetSerialNumberString	请求获得产品序列号字符串
HidD_GetNumInputBuffer	获得驱动程序用于存储输入报表的环形缓冲区的大小，默认值是8
HidD_SetNumInputBuffer	设置驱动程序用于存储输入报表的环形缓冲区的大小

2.2 Data Movement

API	描述
HidD_GetInputReport	从设备读取一个特征报表
HidD_SetFeature	向设备传送一个特征报表
HidD_SetOutputReport	向设备传送输出报表
WriteFile	向设备传送输出报表
ReadFile	从设备读取输入报表

2.3 Report Creation and Interpretation

API	描述
HidP_GetButtonCaps	请求获得HID报表中所有按钮的能力
HidP_GetButtons	从设备读取包含每个按下的按钮的用法（Usage）的缓冲区的指针，该请求可以设定一个Usage Page
HidP_GetButtonEx	从设备读取包含每个按下的按钮的Usage和Usage Page的缓冲区的指针
HidP_GetCaps	请求获得用于描述设备能力的结构的指针
HidP_GetLinkCollectionNotes	请求获得描述在顶层集合中的连接集合（Link Collection）关系的结构的数组
HidP_GetSpecificButtonCaps	请求获得报表中按钮的能力，该请求可以设定一个Usage Page、Usage或是Link Collection
HidP_GetSpecificValueCaps	请求获得报表中数值的能力，该请求可以设定一个Usage Page、Usage或是Link Collection
HidP_GetValueCaps	请求获得 HID 报表中所有数值的能力
HidP_MaxUsageListLength	请求获得 HID 报表中可以回传的按钮的最大数目，该请求可以设定一个Usage Page
HidP_UsageListDifference	比较两个按钮列表，并且求出在一个列表中设定而在另一个列表中没有设定的按钮
HidP_GetScaledUsageValue	从设备读取一个已经经过比例因子调整的有符号数值
HidP_GetUsageValue	从设备读取一个指向数值的指针
HidP_GetUsageValueArray	从设备读取包含多个数据项的Usage的数据
HidP_SetButtons	向设备传送设置按钮的数据
HidP_SetScaledUsageValue	将一个实际数值转换成设备使用的逻辑数值，并将其插入到报表中
HidP_SetUsageValue	向设备传送数据
HidP_SetUsageValueArray	向设备传送包含多个数据项的Usage的数据

3. 虚拟设备

3.1 HidRegisterMinidriver

对于一个HID的Miniport硬件驱动来说，都是通过HidRegisterMinidriver函数来完成注册的，这个函数是HIDClass.sys提供，也就是说HIDClass.sys提供了框架，给我们MiniPort驱动的开发。

对于HidRegisterMinidriver工作大致可以总结为如下：

IoAllocateDriverObjectExtension创建驱动的上下文HIDCLASS_DRIVER_EXTENSION。
保存MiniPort驱动的相关信息到HIDCLASS_DRIVER_EXTENSION结构中，如下：

RtlCopyMemory(hidDriverExtension->MajorFunction,minidriverObject->MajorFunction,sizeof( PDRIVER_DISPATCH ) * (IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION + 1) );minidriverObject->DriverUnload = HidpDriverUnload;hidDriverExtension->AddDevice = driverExtension->AddDevice;

3.2 IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL

对于HID的虚拟硬件设备，对上层实现的接口都是通过IRP_MJ_INTERNAL_DEVICE_CONTROL来提供的，HID需要实现的相关IOCTL如下：

//
// Internal IOCTLs for the class/mini driver interface.
//#define IOCTL_HID_GET_DEVICE_DESCRIPTOR             HID_CTL_CODE(0)
#define IOCTL_HID_GET_REPORT_DESCRIPTOR             HID_CTL_CODE(1)
#define IOCTL_HID_READ_REPORT                       HID_CTL_CODE(2)
#define IOCTL_HID_WRITE_REPORT                      HID_CTL_CODE(3)
#define IOCTL_HID_GET_STRING                        HID_CTL_CODE(4)
#define IOCTL_HID_ACTIVATE_DEVICE                   HID_CTL_CODE(7)
#define IOCTL_HID_DEACTIVATE_DEVICE                 HID_CTL_CODE(8)
#define IOCTL_HID_GET_DEVICE_ATTRIBUTES             HID_CTL_CODE(9)
#define IOCTL_HID_SEND_IDLE_NOTIFICATION_REQUEST    HID_CTL_CODE(10)

我们知道HID最重要的两个描述符是：

HID设备描述符。HID设备描述符通过IOCTL_HID_GET_DEVICE_DESCRIPTOR向上层提供。
HID报表描述符。HID报表描述符通过IOCTL_HID_GET_REPORT_DESCRIPTOR向上层提供。

其他操作包括IOCTL_HID_READ_REPORT实现用来读取报表描述符，IOCTL_HID_WRITE_REPORT用来写入报表描述符。

这里我们需要定义两个描述符，例如可以定义如下：

HID_REPORT_DESCRIPTOR           DefaultReportDescriptor[] = {0x06,0x00, 0xFF,                // USAGE_PAGE (Vender Defined Usage Page)     0x09,0x01,                          // USAGE (Vendor Usage 0x01)      0xA1,0x01,                           // COLLECTION (Application)        0x85,CONTROL_FEATURE_REPORT_ID,           // REPORT_ID (1)                      0x09,0x01,                          // USAGE (Vendor Usage 0x01)              0x15,0x00,                          // LOGICAL_MINIMUM(0)                   0x26,0xff, 0x00,                // LOGICAL_MAXIMUM(255)               0x75,0x08,                          // REPORT_SIZE (0x08)                     0x95,0x01,                          // REPORT_COUNT (0x01)                    0xB1,0x00,                          // FEATURE (Data,Ary,Abs)0x09,0x01,                          // USAGE (Vendor Usage 0x01)              0x75,0x08,                          // REPORT_SIZE (0x08)                     0x95,INPUT_REPORT_BYTES,           // REPORT_COUNT (0x01)                    0x81,0x00,                      // INPUT (Data,Ary,Abs)0xC0                                // END_COLLECTION                       };HID_DESCRIPTOR              DefaultHidDescriptor = {0x09,   // length of HID descriptor0x21,   // descriptor type == HID  0x210x0100, // hid spec release0x00,   // country code == Not Specified0x01,   // number of HID class descriptors{ 0x22,   // report descriptor type 0x22sizeof(DefaultReportDescriptor) }  // total length of report descriptor
};

3.3 效果

通过实现相关的HID硬件特性之后，我们可以虚拟化如下HID设备：

并且我们可以直接操作虚拟化的驱动来模拟各种HID设备信息，如下我们利用虚拟HID键盘向系统开始菜单输入一个Hello：

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