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软件模拟串口的内核艺术：基于WDM模型实现虚拟串行端口驱动

你有没有遇到过这样的场景？一台工控机要同时连接PLC、温控仪、扫码枪和GPS模块，结果发现主板只留了一个物理COM口；或者你在云服务器上部署工业监控软件，却发现根本找不到RS-232接口。更别提在自动化测试中反复插拔硬件带来的效率损耗了。

这正是虚拟串口驱动（Virtual Serial Port Driver）存在的意义——它不是魔法，而是Windows内核编程的一门精密手艺。今天，我们就来深入拆解如何在一个现代操作系统里，用纯软件“无中生有”地造出一个能让任何串口程序毫无察觉的标准COM端口。

重点在于：我们不走捷径，不用第三方工具，而是亲手构建一个运行于WDM（Windows Driver Model）框架下的完整驱动系统。这不是理论推演，而是一套可落地的技术实践方案。

为什么是WDM？从一段“消失”的调试经历说起

几年前我在调试一款嵌入式烧录工具时，客户现场反馈“无法打开COM5”。奇怪的是，设备管理器明明显示端口存在，但CreateFile("\\\\.\\COM5")总是失败。排查半天才发现，原来他们用的是一款打着“虚拟串口”旗号的用户态代理程序，根本没有注册到系统设备树中。

这件事让我意识到：真正的虚拟串口，必须扎根于内核层，遵循Windows原生设备管理机制。否则轻则兼容性差，重则导致应用崩溃或蓝屏。

而WDM，就是微软为这类需求设计的“官方标准答案”。

WDM不是一个独立的操作系统组件，而是一套规范化的驱动开发模型。它定义了驱动应该如何响应即插即用事件、处理电源状态切换、与I/O管理器通信。更重要的是，只有符合WDM规范的驱动，才能被系统正确识别并分配\\.\COMx这样的标准符号链接。

换句话说：你想让Windows把你写的代码当成一块真实的串口卡？那就得按WDM的规矩来办事。

核心架构解析：虚拟串口是怎么“骗过”系统的？

它们看起来一样吗？真实串口 vs 虚拟串口

看到没？从应用程序视角看，两者没有任何区别。差异只存在于底层实现：

• 真实串口：通过PCI/USB总线访问物理芯片，数据经TX/RX引脚收发。
• 虚拟串口：完全由软件模拟行为，数据流向内存缓冲区或网络通道。

所以问题的关键变成了：如何让你的驱动“冒充”成一个合法的串行设备？

答案藏在两个关键动作中：
1. 创建一个类型为FILE_DEVICE_SERIAL_PORT的设备对象；
2. 正确响应来自PnP管理器的生命周期请求。

一旦完成这两步，系统就会认为“哦，新插入了一块串口卡”，并自动为你分配COM端口号。

实战第一步：搭建驱动骨架 —— DriverEntry 的深层含义

所有WDM驱动都始于一个入口函数：DriverEntry。但它远不止是C语言的main那么简单。这个函数决定了你的驱动能否被系统接纳。

NTSTATUS DriverEntry(PDRIVER_OBJECT DriverObject, PUNICODE_STRING RegistryPath) { NTSTATUS status; // 1. 设置默认分发函数（防御性编程） for (int i = 0; i <= IRP_MJ_MAXIMUM_FUNCTION; ++i) { DriverObject->MajorFunction[i] = UnsupportedDispatch; } // 2. 注册我们真正关心的操作 DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CREATE] = CreateDispatch; DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_CLOSE] = CloseDispatch; DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_READ] = ReadDispatch; DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_WRITE] = WriteDispatch; DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_DEVICE_CONTROL] = IoControlDispatch; DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_PNP] = PnpDispatch; DriverObject->MajorFunction[IRP_MJ_POWER] = PowerDispatch; DriverObject->DriverUnload = UnloadDriver; // 3. 创建设备对象（核心！） status = IoCreateDevice( DriverObject, sizeof(VIRTUAL_SERIAL_DEVICE_EXTENSION), // 私有扩展空间 NULL, // 不指定名称（由PnP分配） FILE_DEVICE_SERIAL_PORT, // 关键标识！ 0, FALSE, &g_pDeviceObject ); if (!NT_SUCCESS(status)) { return status; } // 4. 启用缓冲I/O模式，并退出初始化状态 g_pDeviceObject->Flags |= DO_BUFFERED_IO; g_pDeviceObject->Flags &= ~DO_DEVICE_INITIALIZING; return STATUS_SUCCESS; }

这里有几个容易忽略但至关重要的细节：

❗ 必须使用FILE_DEVICE_SERIAL_PORT

这是让类驱动（Class Driver）识别你设备类型的唯一依据。如果你用了自定义值，即使实现了所有串口功能，也不会出现在SERIALCOMM注册表项中。

❗ 初始设备名设为NULL

很多人在这里犯错——试图直接命名成\Device\COM3。但正确的做法是让PnP管理器动态分配设备名，然后由系统自动建立符号链接。手动命名会破坏即插即用机制。

❗ 清除DO_DEVICE_INITIALIZING标志

这是一个安全机制。只要该标志未清除，系统就认为设备尚未准备好，不会向其发送I/O请求。忘记这一步会导致后续操作全部挂起。

生死时刻：PnP调度函数中的设备生命周期管理

如果说DriverEntry是出生证明，那么PnpDispatch就是驱动的“生命维持系统”。每一次热插拔、休眠唤醒、卸载重启，都要经过它。

NTSTATUS PnpDispatch(PDEVICE_OBJECT DeviceObject, PIRP Irp) { PIO_STACK_LOCATION stack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp); NTSTATUS status = STATUS_SUCCESS; switch (stack->MinorFunction) { case IRP_MN_START_DEVICE: // 【关键】转发IRP到底层总线驱动，等待确认 status = ForwardAndAwaitNextIrp(DeviceObject, Irp); // 此处可执行最后初始化：启动DPC、创建工作线程、加载配对配置 InitializeTransmitBuffers(DeviceObject); break; case IRP_MN_REMOVE_DEVICE: // 停止所有异步任务 CancelPendingRequests(DeviceObject); DisableTimerAndDpcs(DeviceObject); // 转发IRP后立即释放资源 IoSkipCurrentIrpStackLocation(Irp); status = IoCallDriver(GetLowerDeviceObject(DeviceObject), Irp); // 最后才销毁自己的设备对象 IoDeleteDevice(DeviceObject); break; default: // 对于其他PnP请求（如查询能力），直接透传 IoSkipCurrentIrpStackLocation(Irp); status = IoCallDriver(GetLowerDeviceObject(DeviceObject), Irp); break; } Irp->IoStatus.Status = status; IoCompleteRequest(Irp, IO_NO_INCREMENT); return status; }

这里面藏着几个老手才知道的经验：

⚠️IRP_MN_START_DEVICE中不能阻塞太久

虽然你可以在这里做初始化工作，但整个过程建议控制在几百毫秒内。否则系统可能判定设备“无响应”，进而触发超时断开。

最佳实践是：在此阶段仅启动必要的定时器或工作项，把耗时操作放到异步上下文执行。

⚠️IRP_MN_REMOVE_DEVICE必须清理干净

这是防止内存泄漏的最后一道防线。你需要确保：
- 所有排队中的IRP都被取消；
- 使用IoCancelIrp遍历待处理请求；
- 删除定时器、关闭同步对象（Event、Semaphore）；
- 最后再调用IoDeleteDevice。

否则一旦驱动被卸载而仍有线程尝试访问已释放的设备扩展，后果就是BSOD。

数据流动的秘密：IRP是如何穿越用户态与内核的？

当用户程序调用WriteFile(hCom, buffer, len)时，背后发生了一系列精密协作：

1. Win32子系统将请求转换为I/O管理器能理解的形式；
2. I/O管理器创建一个IRP_MJ_WRITE类型的IRP包；
3. IRP沿设备堆栈向下传递，最终到达我们的虚拟串口驱动；
4. 驱动将数据暂存至内部环形缓冲区，并立即返回STATUS_SUCCESS；
5. 异步工作线程检测到新数据，查找目标端口（例如配对的COM4）；
6. 构造一个新的IRP_MJ_READ注入对方接收队列；
7. 另一端的应用程序调用ReadFile时立即获取数据。

整个过程就像两个对讲机之间架起了一条看不见的数据桥。

其中最关键的性能优化点在于：永远不要在DISPATCH_LEVEL或高于它的IRQL级别长时间持有锁。

举个例子，在读取处理函数中：

NTSTATUS ReadDispatch(PDEVICE_OBJECT devObj, PIRP irp) { PVIRT_SERIAL_EXT ext = (PVIRT_SERIAL_EXT)devObj->DeviceExtension; ULONG requestedLen = irp->IoStatus.Information; KLOCK_QUEUE_HANDLE lockHandle; // 使用Lock Queue避免优先级反转 KeAcquireInStackQueuedSpinLock(&ext->RxLock, &lockHandle); if (ext->RxBuffer.Available >= requestedLen) { RtlCopyBytes(irp->AssociatedIrp.SystemBuffer, ext->RxBuffer.Data, requestedLen); ext->RxBuffer.Available -= requestedLen; irp->IoStatus.Information = requestedLen; irp->IoStatus.Status = STATUS_SUCCESS; } else { // 数据不足，挂起IRP等待填充 QueuePendingReadIrp(ext, irp); KeReleaseInStackQueuedSpinLock(&lockHandle); return STATUS_PENDING; // 注意！返回PEND意味着你不负责完成IRP } KeReleaseInStackQueuedSpinLock(&lockHandle); IoCompleteRequest(irp, IO_NO_INCREMENT); return STATUS_SUCCESS; }

注意那个STATUS_PENDING的返回值。这意味着当前线程不再拥有IRP的所有权，直到某个DPC或工作项明确调用IoCompleteRequest为止。这是实现高效异步I/O的核心机制。

工程实战中的坑点与秘籍

🔧 COM端口号哪里来的？

很多开发者困惑：“我的设备对象明明叫\Device\VSerial0，怎么突然变成COM3了？”

答案在注册表：

HKEY_LOCAL_MACHINE\HARDWARE\DEVICEMAP\SERIALCOMM \Device\VSerial0 → "COM3"

这个映射是由PnP管理器根据INF文件中的AddReg指令自动写入的。你的INF应该包含类似内容：

[HwRegistrySettings] AddReg = AddSerialPortName [AddSerialPortName] HKR,,PortName,,COM3 HKR,,FriendlyName,,"Virtual Serial Port (Pair: COM4)"

系统扫描此键值后，便会为对应设备创建DosDevices\COM3符号链接，从而使CreateFile("\\\\.\\COM3")生效。

🔧 如何支持波特率设置等“伪参数”？

尽管虚拟串口没有真正的时钟源，但仍需模拟标准串口属性以兼容老旧软件。常见做法是在设备扩展中维护一个结构体：

typedef struct _SERIAL_CONFIG { ULONG BaudRate; UCHAR DataBits; UCHAR StopBits; UCHAR Parity; ULONG TimeoutReadInterval; ULONG TimeoutReadMultiplier; ULONG TimeoutWriteMultiplier; } SERIAL_CONFIG, *PSERIAL_CONFIG;

然后在IOCTL_SERIAL_SET_BAUD_RATE等控制码中更新这些字段。虽然不做实际用途，但必须返回成功，否则某些应用会报错退出。

🔧 数字签名绕不开

从Windows 10版本1607开始，内核驱动必须经过WHQL认证才能加载。这意味着你不能再用bcdedit /set testsigning on应付生产环境。

解决方案有两种：
1. 加入Microsoft Partner Center提交驱动进行签名；
2. 使用KMDF框架配合Inbox Compatible ID降低签名门槛。

建议优先采用后者，因为KMDF本身已被微软信任，只需验证你的驱动逻辑即可。

它不只是串口：高级应用场景展望

当你掌握了这套机制，你会发现虚拟串口的价值早已超越“多开几个COM口”这么简单。

场景一：云端串口代理

想象一下，你在Azure VM上运行SCADA系统，需要接入本地工厂的Modbus设备。传统方案需要专线或复杂网关，而现在你可以：

• 在本地PC运行客户端驱动，捕获真实串口数据；
• 通过TLS加密隧道传输至云端；
• 云端驱动解包后注入虚拟COM口；
• 上层软件像访问本地设备一样操作远程仪器。

全程无需修改原有软件。

场景二：CI/CD流水线中的自动化测试

在持续集成环境中加入虚拟串口对，可以实现：
- 模拟传感器异常输出（如校验错误、帧丢失）；
- 注入特定协议序列验证解析逻辑；
- 并行运行多个测试用例而不争抢硬件资源。

这一切都可以通过脚本一键启停，极大提升回归测试覆盖率。

写在最后：软硬之间的桥梁

虚拟串口驱动看似是个小众技术，实则是连接传统工业生态与现代计算平台的重要枢纽。它教会我们一件事：真正的系统级编程，不在于炫技，而在于精准模仿。

你要做的不是创造新规则，而是完美复刻已有规范。每一个IRP的流转、每一笔注册表的写入、每一条IOCTL的响应，都在考验你对Windows内核机制的理解深度。

掌握这项技能的意义，也不仅仅是为了做一个虚拟COM口。它是通往设备驱动开发大门的钥匙——明天你可能要做的是虚拟CAN卡、USB转TTL模拟器，甚至是定制化的安全审计设备。

而这一切，都始于那个最朴素的起点：
在Ring 0写下第一行能被操作系统承认的代码。

如果你正在尝试构建自己的虚拟串口驱动，欢迎在评论区分享你的挑战与收获。我们一起把这件“看不见的事”，做得更扎实一点。