윈도우즈 디바이스 드라이버 개발 방법
디바이스 드라이버 개발을 처음 시작하시는 분들이 가장 많이 하시는 질문은 “ 디바이스 드라이버를 개발하려면 무엇을 어떻게 공부해야 하나요 ? ” 라는 것이다 .
일반 애플리케이션 프로그램 개발을 시작하는 경우에는 자료도 많고 , 주변에 개발자들도 많아서 공부 방법이나 자료들을 쉽게 접할 수 있는데 , 디바이스 드라이버 분야는 개발자들이 많은 분야도 아니고 , 자료도 쉽게 찾을 수도 없다 보니 입문자들에게는 어디서부터 어떻게 시작해야 할지 막막해 한다 . 간혹, 디바이스 드라이버에 열정이 있으신 분들중에는 홀로 무수한 나날을 디버깅과 테스트를 통해 개발의 고수가 되는 경우도 있다.
하지만 , 일반 개발자들은 아직도 디바이스 드라이버 개발을 위해 어떻게 준비를 해야 할지 어려워하는게 현실이다. 그래서 이런 컬럼 에서는 필자가 그 동안 경험하고 느낀 것을 토대로 초보자들도 쉽게 접근할 수 있는 개발 방법들을 소개하려고 한다 .
우선 , 디바이스 드라이버 개발 방법의 내용을 언급하기 전에 여러분이 한 가지 알아두어야 할 사항이 있다 . 이전 1 부 컬럼 에서도 언급했듯이 디바이스 드라이버와 운영체제는 서로 밀접한 관계를 맺고 있다 . 그래서 이번 컬럼에서 다루는 윈도우 디바이스 드라이버 개발 방법이 다른 운영체제들에도 동일하게 적용되지 않을 수도 있다는 것을 참고해서 글의 내용을 이해했으면 한다 .
1. 무엇을 공부해야 하나 ?
응용프로그램 , 웹 프로그래밍 , 게임 등의 프로그램들처럼 디바이스 드라이버도 소프트웨어의 한 종류로 볼 수 있다 . 그래서 일반적인 대학교의 컴퓨터 학과들에서 배우는 알고리즘 , 운영체제 , 프로그래밍 언어 , 자료구조 , 컴파일러 등등의 다양한 지식들을 기본적으로 알고 있는 것은 디바이스 드라이버를 공부하는데 하는데 많은 도움이 된다 .
하지만 , 이런 기본적인 내용들 이외에 디바이스 드라이버를 개발하기 위해서 좀 더 알아야 할 지식들이 있다 . 그 내용들에 대해서 간략히 살펴보도록 하자 .
운영체제 아키텍처 : 다른 프로그램들도 마찬가지겠지만 , 프로그램이 동작하는 기반이 되는 운영체제를 이해하지 않고서는 제대로 된 프로그램을 개발 할 수가 없다 . 그 중에서도 디바이스 드라이버는 운영체제의 커널에서 동작 하므로, 운영체제 구조 및 개념들 ( 메모리 관리 , 스케줄링 , I/O 요청의 흐름 , 동기화 등등 ) 을 제대로 이해해야 개발하는데 문제가 없게 있게 된다 . 하지만 , 윈도우는 리눅스와 같은 Open Source 운영체제가 아니고, 내부 구조가 블랙박스처럼 베일에 싸여 있다보니, O/S 내부 내용을 공부 하려해도 항상 정확한 자료들을 가지고 아니어서 이해하는데 많은 어려움이 있다. 그래서, 이런 경우엔 직접 디버깅을 통해 알아내야 하는데, 이런 부분은 윈도우 운영체제를 이해하는데 어렵게 하는 부분이 되고 있다.
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• 컴퓨터 구조 및 CPU 아키텍처 : 운영체제 아키텍처를 이해하기 위해서는 먼저 컴퓨터 구조나 CPU 아키텍처의 이해가 필요하다 . 즉 , 넓은 의미로 운영체제도 CPU 및 컴퓨터 구조 기반 위에서 작동하는 프로그램이기 때문에 CPU 및 컴퓨터의 구조를 이해하는 것은 기본 중에 기본이다 . 그래서 기본적인 CPU 동작원리라던지 컴퓨터의 내부 구조에 대한 지식은 운영체제 및 드라이버를 이해하는데 필요하다.
• C/C++ 언어 : 많이 질문하시는 내용 중에 “ 디바이스 드라이버는 어떤 언어로 개발하나요 ? ” 가 있다 . 윈도우 디바이스 드라이버 개발 시에는 C/C++ 언어 정도를 이해한다면 개발하는데 무리는 없다 . 그리고 , 가끔 디버깅 (Debugging) 이나 리버스 엔지니어링 (Reverse Engineering) 이 필요한 경우에 어셈블리 언어 (Assembly) 의 지식이 필요하다. 그렇다고 어셈블리 언어를 완벽한 이해해야 하는것은 아니다. 대신 남의 코드를 디버깅하는 경우 소스 코드가 어셈블리 코드로 보여 내용을 보고 분석할 줄 알아야 하는데 이때 간단히 코드를 보고 이해할 수 있을 정도의 지식이면 된다.
• API 프로그래밍 : 디바이스 드라이버는 누군가의 요청에 의해 기능을 하게 된다 . 사용자가 GUI 를 가진 애플리케이션을 통해 I/O 요청을 하면 디바이스 드라이버가 해당 작업을 하게 되고 , 결과는 다시 애플리케이션에게 전달되는 구조를 가진다. 이처럼 디바이스 드라이버는 애플리케이션과 항상 상호작용을 한다.
그래서, API 프로그래밍을 공부할때는 단순 API 사용법의 내용이 아닌 디바이스 드라이버와 애플리케이션 사이의 통신 및 전체 I/O 구조에 대한 내용을 중심으로 공부하길 바라며 이 부분은 추후에 드라이버를 공부하는데도 많은 도움이 된다.
• H/W 지식 : 디바이스 드라이버는 소프트웨어와 하드웨어 사이에 중간의 다리역할을 하는 프로그램이라 볼 수 있다 . 이러다 보니 디바이스 드라이버를 작성하기 위해서는 소프트웨어 지식 뿐만 아니라 , 하드웨어적인 지식도 필요로 하게 된다. 그렇다고 H/W 스펙의 전기적인 내용이나 물리적인 회로등의 이해를 요구하는 것은 아니다. 대신. 기본적인 H/W 스펙 문서에 나와있는 용어라던지 통신 프로토콜등에 대해 먼저 이해하기 바라며, 드라이버에서 사용되는 H/W 관련 개념들도 같이 공부하길 바란다.
• 디바이스 드라이버 모델 : 윈도우에서는 디바이스 드라이버를 어떤 방식으로 개발하라는 드라이버 모델들을 제시하고 있으며, 이 모델들을 이용해 드라이버를 좀 더 쉽게 개발할 수 있게 해준다. 현재 윈도우에서 제공하는 드라이버 모델은 10 가지 이상의 방법들을 제시하고 있고 , 개발하려는 장치 및 드라이버 종류에 따라 추천하는 드라이버 모델들이 존재하고 있다 . 하지만 , 이런 다양한 드라이버 모델은 개발자들이 드라이버 종류에 따라 각각 새로운 모델들을 익히기 위해 시간과 노력을 배로 들게 하는 단점이 있다 . 그래서 Microsoft 에서는 이런 어려움을 해결하기 위해 새로운 드라이버 모델을 계속 발전시키고 , 통합하는 과정을 진행하고 있다 .
아래 표는 현재까지의 윈도우 운영체제의 종류에 따른 지원하는 드라이버 모델이다 .
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아래 표는 Microsoft 에서 디바이스 및 드라이버 종류에 따라 권장하는 드라이버 모델에 대한 설명이다
. ( http://www.microsoft.com/whdc/driver/foundation/DrvRoadmap.mspx# )
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VxD ( Virtual Device Driver ) : Windows 95/88/ME 에서 사용되는 드라이버 모델로 디바이스 드라이버를 가상화시킨다는 개념을 적용해 드라이버를 만든다 . 확장자는 vxd 로 만들어진다 .
NT Kernel Mode Driver : Windows NT 용 드라이버를 만들기 위한 드라이버 모델로 드라이버 개발을
WDM ( Windows Driver Model ) : 윈도우 디바이스 드라이버를 어떻게 만들어야 한다는 하나의 스펙이라고 볼 수 있다 . 하나의 드라이버 바이너리 파일을 가지고 다양한 윈도우 에서 사용 할 수 있는 드라이버를 만들기 위한 목적으로 만들어졌으며 , 현재 Windows 98/ME/2000/XP/2003/Vista 에서 사용할 수 있다 . 기본적인 개념은 NT Kernel Mode Driver 구조를 바탕으로 만들어 졌으며 , PnP, Power 관리 , WMI 등을 지원한다 .
WDF ( Windows Driver Foundation ) : Windows Vista 가 출시되면서 만들어진 드라이버모델로 WDM 모델에서 발전된 형태이다 . 윈도우 API 프로그래밍을 WDM 에 비유하면 , MFC 는 WDF 해당한다고 볼 수 있다 . WDF 는 크게 두 가지 종류로 나뉘는데 , KMDF ( Kernel-Mode Driver Framework ) 와 UMDF ( User-Mode Driver Framework ) 가 그에 해당된다 .
NDIS ( Network Driver Interface Specification ) : 윈도우에서 네트워크 관련 드라이버를 개발할 때 사용되는 드라이버 모델로 네트워크 드라이버를 좀 더 모듈화 시켜서 쉽게 만들 수 있는 방법을 제공해준다 .
그럼, 현 시점에서는 이렇게 "다양한 드라이버 모델중에 어떤 모델을 공부해야 하나?" 생각이 들것이다.
필자 생각에는 먼저 WDM 드라이버 모델을 공부하라고 말하고 싶다. 이유는 여러분들이 처음 애플리케이션 만들때를 생각해 보면, 처음엔 쉽게 개발을 하기 위해 라이브러리들이 많이 지원되는 MFC 나 비주얼 베이직, 델파이 등을 이용해 프로그램들을 만들었을 것이다. 하지만 이것의 내부 구조 및 원리들을 이해하기 위해서는 API 를 다시 공부 했어야 했다. 이것은 기본적인 원리를 이해하지 못하고는 발전된 개념들을 이해하기 어렵기 때문이다. 그래서 드라이버 모델에서도 API 와 같은 WDM 를 우선적으로 공부하면 드라이버의 기본적인 개념이나 구조를 이해하는데 많은 도움이 될 것이기 때문이다. 그리고나서, 필요에 따라 WDF 를 공부한다던지, 해당 Device Class에 따른 드라이버 모델들을 공부하는 방법을 권한다.
2. 어떻게 공부해야 하나 ?
프로그래밍을 배울 때 듣는 속담 중 하나가 “ 백문이 불여일견 , 백견이 불여일타 “ 라고 했다 . 그 만큼 실제 책으로 공부하고 눈으로 보는 것 보다는 직접 코딩을 하면서 프로그램을 작성하는 것이 백배 더 효과적이라고 한다 .
디바이스 드라이버도 이런 공부 방법대로 많이 만들어보는 것이 제일 중요하다고 생각한다 . 필자도 처음에는 디바이스 드라이버를 책으로만 볼 때는 무슨 내용들을 말고 있는지 , 어떻게 드라이버가 작동 되는지 이해가 잘 되지 않았지만 , 이것저것 개발을 하면서 조금씩 이해를 한 경험이 있다 .
그러나 , 처음 드라이버를 만들려고 해도 뭔가 이론적인 바탕이 있어야 하는데 이런 부분은 혼자 공부하기에는 어려운 부분이 많다 . 그래서 여러 명이서 스터디 그룹을 만들어 같이 공부하면서 서로 공부한 것들을 공유하는 방법을 생각해 볼 수 있을 것이다 . 그리고 , 개발자 저변은 넓지 않은 분야이다 보니 자료들을 찾아보는데도 한계가 있다 . 그렇기 때문에 다양한 세미나 및 개발자 모임 등에는 적극적으로 참여해서 정보를 얻어야 한다 . 그 다음에는 관심 있는 프로그램이나 분야 중에 디바이스 드라이버가 사용되는 것을 선정해 직접 만들어보면서 실제 이론 내용을 적용해 보는 형태로 공부를 하면 많은 도움이 될 것이다 .
그럼 , 여러분들이 개발하기 전에 몇 가지 고려해야 할 사항들을 소개하겠다 .
• 지원할 운영체제 : 제일 먼저 어떤 운영체제를 지원 할지를 결정해야 한다 . 그래야 지원하는 운영체제에 따른 H/W 지원 유무및 드라이버 모델이 정해지고 , 경우에 따라서는 디바이스 드라이버를 운영체제에서 기본적으로 지원하고 있어서 디바이스 드라이버 개발을 별도로 하지 않아도 되는 경우들이 있다 . 그렇기 때문에 우선 지원할 운영체제를 무엇으로 할지 선택해야 한다 .
• Device 및 Driver Class : 개발하려는 디바이스 드라이버가 지원하는 장치 종류 및 드라이버가 어떤 종류인지 선택 해야 한다 . 다시 설명하면 , 장치관리자에 올라가는 장치 목록에 어떤 장치로 보이게 할 것인지를 선택해야 한다는 말이다 . 어떤 장치 종류이냐에 따라 앞에서도 언급한 드라이버 모델이 결정되어서 개발 방향이 결정이 되기 때문에 이 부분도 중요하게 결정되어야 한다 .
• Windows Logo 인증 : 여러분들은 장치를 구매했을 때 박스나 PC 에 Windows Logo 스티커가 있는 걸 보거나 , 드라이버 설치시에 경고창이 나타나는 것을 본 경험이 있을 것이다 . 이 Logo 의 의미는 Microsoft 는 Windows 운영체제에서 하드웨어와 소프트웨어가 안정적으로 동작할 수 있도록 하드웨어와 소프트웨어의 완벽한 호환성에 관한 명확한 기준을 제공하고 있으며 , Microsoft 의 WHQL 에서는 제시한 기준에 적합한지를 시험해서 기준에 적합하면 Windows Logo 인증 마크를 사용할 수 있는 권한을 부여하는 제도 이다 . 이런 인증 제도는 비즈니스적인 측면과 관련된 부분이긴 하지만 , 여러분의 H/W 및 디바이스 드라이버 품질을 검증해 보길 원한다면 한번 인증을 진행해 보는 것도 좋은 방법이 될 거라 본다 . 대신 별도의 인증 비용이 들어가니 이점은 참고하기 바란다 .
( http://www.microsoft.com/whdc/winlogo/default.mspx )
디바이스 드라이버를 개발하기 위해 필요한 지식 및 방법에 대한 내용을 필자의 경험을 토대로 간략히 살펴봤다 . 공부에는 왕도가 없다라는 말이 있다 . 디바이스 드라이버를 공부하는 것도 특별한 비법이 있거나 빨리 실력이 느는 방법이 따로 있는것은 아니다. 특히나 드라이버나 시스템 프로그래밍쪽은 다른 분야보다 공부한 만큼 바로 바로 결과가 나오지 않아 쉽게 포기를 하기도 하는 분야다. 이럴수록 여러분들은 차근차근 기본기부터 다진다는 생각으로 공부을 했으면 한다.
끝으로, 한 가지 더 부탁을 하자면, 인내와 끈기를 가지고 문제 해결를 끝까지 해결하려는 자세를 가졌으면 한다. 디바이스 드라이버를 개발하면서 느낀것은 쉽게 해결되는 문제가 없다는 것이다. 운영체제와 애플리케이션 , H/W 등의 다양한 구성 요소들 사이에서 동작을 하다 보니, 문제점을 파악하고 디버깅하고 테스트하는 과정은 정말 어려움 고난의 과정이다. 그래서 처음 생각과 달리 디버깅이나 테스트에서 많이들 힘들어하고 어려워한다. 하지만, 이런 과정은 여러분들이 고수로 가게 해주는 밑바탕이 될 것이며, 드라이버 개발을 재미를 느끼게 해주는 기폭제가 될것이라 본다.
그럼, 이제 디바이스 드라이버 개발을 어렵게 느끼지 말고 바로 지금 공부를 시작해보자.
(디바이스 드라이버 개발자 커뮤니티, 저자: subsub)
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